Construction and Geotechnics

Для достижения эффективной теплоизоляции ограждающих конструкций необходимо повышение сопротивления теплопередаче путем применения передовых теплоизоляционных материалов. Перспективным теплоизоляционным материалом является пеностекло, которое обладает низким коэффициентом теплопроводности, высокой механической прочностью, морозоустойчивостью и низкой плотностью. Физические свойства пеностекла определяются строением его макро- и микроструктуры, которые зависят от температурного режима синтеза и компонентов состава. В работе осуществлен выбор оптимальных составов пеностекла для корректного сравнения, разработана физико-химическая модель, определен качественный и количественный фазовый состав образцов пеностекла с применением метода рентгенофазового анализа для верификации полученных результатов. На основании выполненных расчетов состава фаз и компонентов, которые образуются при синтезе различных модификаций пеностекла, проведено определение возможных фаз с использованием физико-химических моделей и методов минимизации термодинамических потенциалов. Эти методы позволяют определить равновесный состав гетерогенной системы и термодинамические параметры процессов. Достоверность модели подтверждена результатами рентгенофазового анализа, который показал наличие фаз, полученных путем расчета. Научная новизна исследования заключается в определении особенностей формирования кристаллических фаз при синтезе пеностекла с учетом температурно-временных условий и состава. Исследование показало, что на формирование минерального состава пеностекла в рассматриваемых модификациях существенное влияние оказывают Na2B4O7·10H2O и природный мел. Дополнительно микропримеси влияют на образование новых алюмосиликатных фаз и перераспределение основных химических элементов между минеральными компонентами пеностекла. Это также приводит к изменениям плотности и состава аморфных фаз. Разработана эффективная модель с использованием метода минимизации изобарно-изотермического потенциала Гиббса, получены численные значения количества вероятных фаз и компонентов, образующихся в ходе синтеза пеностекольного материала.

Представлено обобщение результатов экспериментально-теоретических исследований по интенсивному термическому воздействию на поверхность оснований из связных грунтов (в отличие от глубинной термообработки) с помощью электродугового генератора низкотемпературной плазмы (плазматрона). Для термообработки применен плазматрон с массивными расходуемыми электродами из боросилицированного графита и широким «размытым» плазменным факелом. Выполнено физическое и математическое моделирование термического воздействия на поверхность из глинистого грунта движущимся высокотемпературным источником. Впервые изготовлена специальная установка и выполнены экспериментальные исследования по термообработке грунтовых поверхностей на площадке электродуговым плазмотроном. Установлено, что эффективная плотность теплового потока достигает 2,5-3,5 кВт/см2. Основная часть тепловой энергии для используемого плазматрона поступает в материал за счет лучистой теплопередачи. Аналитическая математическая модель температурного поля трехмерного полуограниченного тела в рассматриваемом технологическом процессе задается существенно нелинейной краевой задачей для нелинейного уравнения теплопроводности с нелинейными граничными условиями второго рода. При решении теплофизических задач грунтовое полуограниченное пространство рассматривалось как квазигомогенная среда, имеющая постоянную начальную температуру и исходные теплофизические параметры, изменяющиеся в процессе повышения температуры. Эффективные значения теплофизических характеристик определяли на основе экспериментальных данных. Расчеты и эксперименты показали, что граница температуры, приводящей к существенным изменениям строительных свойств грунтов, опускается до глубины 4-6 см от поверхности, несмотря на кипение грунтового расплава с температурой 2500-2800 К на грунтовой поверхности. Поэтому предложен новый технологический принцип термообработки, заключающийся в наращивании грунтового расплава слоями по 4-5 см вверх от исходной поверхности. Установлена невозможность получения положительного эффекта даже при использовании мощного высокотемпературного источника воздействия в случае применения традиционной технологии поверхностной термообработки. Новая плазменная технология поверхностной термообработки грунтовых поверхностей до стадии силикатного расплава позволяет получать общий слой требуемой толщины. При этом значительно повышена эффективность поверхностной термообработки. Новая технология послойного поверхностного наплавления уменьшает трещинообразование в слое при остывании расплава, однако не устраняет этот негативный процесс (в отличие от глубинной термообработки по предлагаемой технологии).

Метод высокочастотного вибропогружения и виброизвлечения шпунтовых свай применяется достаточно часто в условиях слабых структурно неустойчивых грунтов Санкт-Петербурга. Однако при данном способе погружения (извлечения) шпунта в окружающем его грунтовом массиве возникают колебания, передающиеся расположенным рядом зданиям и сооружениям и способные вызывать опасные явления в их конструкциях как подземной, так и надземной частей, связанные в основном с неравномерными осадками фундаментов. Прогноз дополнительной осадки зданий окружающей застройки от вибропогружения/извлечения шпунтовых свай является сложной, многофакторной задачей, а уровень колебания конструкции здания, являющейся основным контролируемым параметром влияния динамического воздействия на грунт основания, согласно действующим нормативным документам ТСН 50-302-2004, ВСН 490-87, ГОСТ Р 52892-2007 является лишь косвенным критерием оценки. Для более верного суждения о развитии дополнительных осадок зданий при высокочастотном вибропогружении и виброизвлечении шпунтовых свай следует дополнительно учитывать не только время и частоту воздействия, но и свойства и тип самого грунта. Целью данного исследования являлось изучение изменения параметров прочности пылевато-глинистых грунтов в зависимости от времени воздействия динамической нагрузки, типа и консистенции самого грунта, а также изменение параметров в зависимости от времени «отдыха» грунтового основания после воздействия вибрации. Приведены результаты и показана тенденция к снижению параметров прочности грунтов после приложения динамической нагрузки и зависимость их изменения от времени воздействия, от типа и консистенции грунта. Установлена зависимость изменения прочностных параметров грунта в зависимости от времени «отдыха» грунтового массива в результате тиксотропного восстановления, что будет определять экономическую привлекательность для безаварийной технологии данного метода.