Лед – строительный материал прошлого, настоящего и будущего
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. + + +
Источник
