The use of foam glass to protect the degrading permafrost soils

Abstract


The article is devoted to the study of the use of foam glass to prevent the degradation of permafrost soils due to climate warming. In the Frost 3D software, for the conditions of Norilsk, a foam glass device for thermal insulation of a base composed of clayey soils, as well as transformed with the help of crushed stone or foam glass columns, was modeled without taking into account the thermal influence of the building. In addition, the insulation of the soils of the base transformed by columns in the ventilated underground of a new (in Yakutsk) and existing (in Norilsk) buildings designed according to the I principle of construction on permafrost soils was investigated. The forecast of the temperature distribution in the ground frozen base without taking into account the thermal influence of the building showed that in conditions of climate warming, the installation of thermal insulation of the base with the use of foam glass allows to reduce the thickness of the seasonally thawed layer by 0.3…0.4 m and reduce the temperature of permafrost. Foam glass can be used for thermal insulation of weak soil bases transformed with the help of crushed stone columns, as well as, in the future, as a material for the columns themselves. For a new building on a base transformed by crushed stone columns, covering the surface of the ventilated underground with a heat-insulating foam glass material during the warm season made it possible to significantly reduce the thickness of the seasonally thawed layer (by 0.9 m). The numerical simulation has shown the effectiveness of the use of foam glass to prevent the degradation of permafrost soils due to climate warming. Foam glass is a promising material for the development of technological measures that ensure the operability of the bases and foundations of buildings and structures at permafrost in the conditions of climate change.

Full Text

Деградации многолетнемерзлых грунтов (ММГ) вследствие потепления климата посвящены исследования В.А. Ильичева, Н.С. Никифоровой, А.В. Коннова [1–3]. Вопросам применения теплоизоляционных материалов для предотвращения деградации ММГ посвящены работы А.Г. Алексеева, В.Е. Конаша, Л.Н. Хрусталева [4], И.В. Бессонова [5, 6] и др. В настоящее время в России в качестве теплоизоляционного материала применяется пеностекло – гранулированное и блочное. Закрытая пористость и неорганический состав пеностекла обусловливают его физико-механические и теплофизические свойства: водо- и паронепроницаемость, негорючесть, устойчивость к коррозии, усадке и гниению, морозоустойчивость и долговечность [7]. Благодаря своим свойствам пеностекло является перспективным материалом, объемы использования которого растут. Прогнозируется, что пеностекольный щебень за период 2020–2022 гг. займет более 2 % общего рынка теплоизоляционных материалов [5]. Активно ведутся разработки технологий производства пеностекла с использованием природного сырья, альтернативного стеклобою. Наиболее подходящими для изготовления пеностекла являются кремнистые и алюмосиликатные породы [7]. Перспективы производства пеностекла в России подробно рассмотрены в статьях В.И. Кирко, А.А. Григоряна, Л.К. Казанцевой и др., где отмечается возможность использования для его производства песка и промышленных отходов [8], перлита [9], цеолита или туфов [10]. В монографии А.Е. Местникова и Т.С. Антипкиной [11] изложены результаты выполненных научно-исследовательских работ по комплексному использованию цеолитов в строительстве. Исследования показали, что цеолитовые породы являются сырьем для производства блочного и гранулированного пеностекла низкой плотности (Д250…Д400), низкой теплопроводности и достаточной прочности, в том числе для применения его в самонесущих ограждающих конструкциях. Д.В. Васильева с соавторами [12] сообщает о разработке инновационного проекта по организации производства гранулированного пеностекла – пеноцеолита из цеолитосодержащих пород Сунтарского месторождения в Якутии. Выбор цеолита обусловлен доступностью, огромным запасом природного сырья (более 11 465 тыс. т) и низкой энергоемкостью его обработки. В Норильске наибольший интерес в качестве сырья для производства пеностекольного щебня представляет стеклогранулят, получаемый в процессе изготовления минеральной ваты на заводе строительных материалов и конструкций Норильского обеспечивающего комплекса (НОК), туфоаргелиты Кайерканского месторождения, а также промышленный и бытовой стеклобой.

About the authors

N. S. Nikiforova

National Research Moscow State University of Civil Engineering

A. V. Konnov

Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of architecture and construction sciences

References

  1. Никифорова Н.С., Коннов А.В. Несущая способность свай в многолетнемерзлых грунтах при изменении климата // Construction and Geotechnics. - 2021. - Т. 12, № 3. - C. 14-24. doi: 10.15593/2224-9826/2021.3.02
  2. Nikiforova N.S., Konnov A.V. Forecast of the soil deformations and decrease of the bearing capacity of pile foundations operating in the cryolithozone // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. - 2022. - № 18 (1). - P. 141-150. doi: 10.22337/2587-9618-2022-18-1-141-150
  3. Ильичев В.А., Никифорова Н.С., Коннов А.В. Прогноз изменения температурного состояния основания здания в условиях потепления климата // Жилищное строительство. - 2021. - № 6. - C. 18-24. doi: 10.31659/0044-4472-2021-6-18-24
  4. Алексеев А.Г., Конаш В.Е., Хрусталев Л.Н. Применение фундаментов малоэтажных сооружений на теплоизолированных песчаных подсыпках в районах распространения многолетнемерзлых грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2018. - № 2. - С. 36-40.
  5. Анализ конструктивных решений в зависимости от типа изоляционных материалов в дорожных покрытиях в многолетнемерзлых грунтах / И.В. Бессонов, А.Д. Жуков, Е.Ю. Боброва, И.С. Говряков, Э.А. Горбунова // Транспортное строительство. - 2022. - № 1. - С. 14-17.
  6. Исследования теплоизоляционных свойств щебня из пеностекла в основаниях автомобильных дорог в многолетнемерзлых и пучинистых грунтах / И.В. Бессонов, А.Д. Жуков, Е.Ю. Боброва, И.С. Говряков, Э.А. Горбунова // Транспортное строительство. - 2022. - № 2. - С. 12-15.
  7. Казанцева Л.К., Стороженко Г.И. Особые свойства пеностекла из природного сырья // Строительные материалы. - 2013. - № 9. - С. 34-38.
  8. Перспективы использования промышленных отходов в производстве пеностекла / В.И. Кирко, М.М. Колосова, А.А. Мазалова, Г.Е. Нагибин, О.В. Помилуйков, О.А. Резинкина // Пеностекло - стекло мира. - 2013. - № 3-4. - С. 77-79.
  9. Способ получения пеностекла: пат. СССР / Григорян А.А., Мелконян Г.С., Саркисян А.А. - № 1571015; опубл. 15.06.90. Б.И. № 22.
  10. Казанцева Л.К., Соболева В.С. Особенности изготовления пеностекла из цеолитщелочной шихты // Стекло и керамика. - 2013. - № 8. - С. 3-7.
  11. Местников А.Е., Антипкина Т.С. Строительные материалы и технологии для Севера и Арктики: монография. - М.: АСВ, 2021. - 218 с.
  12. Vasileva D.V., Fedorov V.I., Mestnikov A.E. Physical and mechanical properties of granulated foam glass - Foam zeolite and light concrete based on it // AIP Conference Proceedings. - 2018. - Vol. 2015. - Р. 020109. doi: 10.1063/1.5055182
  13. Справочно-информационный портал "Погода и климат" [Электронный ресурс]. Архив погоды по метеостанциям России: сайт. - URL: http://pogodaiklimat.ru/archive.php?id=ru (дата обращения: 03.11.2022).
  14. Школьник И.М., Ефимов С.В. Региональная модель нового поколения для территории северной Евразии // Труды ГГО. - 2015. - Вып. 576. - С. 201-211.
  15. Развитие технологии вероятностного прогнозирования регионального климата на территории России и построение на ее основе сценарных прогнозов изменения климатических воздействий на секторы экономики. Часть1: Постановка задачи и численные эксперименты / В.М. Катцов [и др.] // Труды ГГО. - 2016. - Вып. 583. - С. 7-29.
  16. Развитие технологии вероятностного прогнозирования регионального климата на территории России и построение на ее основе сценарных прогнозов изменения климатических воздействий на секторы экономики. Часть 2: Оценки климатических воздействий / В.М. Катцов [и др.] // Труды ГГО. - 2019. - Вып. 593. - С. 6-52.
  17. Демидюк Л.М. Состав и криогенное строение пород // Геокриология СССР. Средняя Сибирь. - М.: Недра, 1989. - C. 176-180.
  18. Гребенец В.И., Исаков В.А. Деформации автомобильных и железных дорог на участке Норильск - Талнах и методы борьбы с ними // Криосфера Земли. - 2016. - Т. XX, № 2. - С. 69-77.
  19. Active-layer Monitoring at a New CALM Site, Taimyr Peninsula, Russia / F.N. Zepalov [et al] // Proc. of the 9th Intern. Conf. on Permafrost. Fairbanks, Alaska. - 2008. - Vol. 2. - P. 2037-2042.
  20. Ильичев В.А., Никифорова Н.С., Коннов А.В. Влияние преобразования грунтов криолитозоны на их температурное состояние в основании здания //Жилищное строительство. - 2022. - № 9. - C. 12-17. doi: 10.31659/0044-4472-2022-9-12-17

Statistics

Views

Abstract - 29

PDF (Russian) - 16

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2023 Nikiforova N.S., Konnov A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies