Эффективное использование теплоизоляции для снижения морозного пучения

Различия в термическом сопротивлении утепления фундаментов в разных нормативных документах.

Чтобы понять актуальность данной статьи, рассмотрим две рекомендации по защите от морозного пучения, из двух нормативных документов:

• «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах». НИИОСП им. Н.М. Герсеванова 1979 г.

• СТО 36554501-012-2008 «Применение теплоизоляции из плит полистирольных вспененных экструзионных ПЕНОПЛЭКС при проектировании и устройстве малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах».

В первом документе для снижения морозного пучения предлагаются, в том числе, керамзитобетонные отмостки (в оригинале таб. 5):

Таб. 1. Рекомендуемые размеры и характеристики керамзитобетонных отмосток по «Руководству по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах» .

По СТО 36554501-012-2008 для одноэтажного кирпичного отапливаемого здания с теплоизоляцией пола на ленточном железобетонном фундаменте, возводимого в г. Дмитрове Московской обл., требуется для защиты:

Таб. 2. Рекомендуемые размеры и характеристики утепления по СТО 36554501-012-2008.

Сопоставление этих двух рекомендаций с точки зрения термического сопротивления даёт следующие результаты:

Таб. 3. Сопоставление рекомендаций, расчёт термического сопротивления горизонтального утепления по таб. 1 и 2.

Т.е. два нормативных документа дают разброс термического сопротивления для утепления фундамента в 3,7 раза.

Проверка рекомендаций по СТО 36554501-012-2008 в программном комплексе Elcut 5.1 в виде задачи стационарной теплопередачи показывает, что при рекомендуемых СТО толщинах достигается нулевая температура под подошвой фундамента:

Рис. 1. Проверка рекомендаций из СТО 36554501-012-2008 в программном комплексе Elcut 5.1 в виде задачи стационарной теплопередачи.

При этом рекомендации из «Руководства по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых гpунтах» говорят об экспериментальной проверке эффекта от использования керамзитобетона для утепления фундаментов, хотя аналогичное моделирование этого узла даёт такой результат: 

Рис. 2. Проверка рекомендаций из «Руководства по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах» в программном комплексе Elcut 5.1 в виде задачи стационарной теплопередачи.

Очевидно, что рекомендации из СТО 36554501-012-2008 построены на том, чтобы устранить саму причину негативного воздействия – промерзание основания под подошвой. В тоже время «Руководство» явно использует какие-то другие закономерности, которые выглядят значительно более экономичными, чем решения в СТО. Чтобы понять, как закономерности можно использовать, разберёмся с научными теориями, объясняющими процесс морозного пучения.

Научные теории.

Этих теорий довольно много. У их авторов есть однозначное понимание ЧТО (влага перемещается в грунте) происходит в грунте при пучении, но нет единого мнения ПОЧЕМУ (какие физические причины вызывают перемещение влаги).

Структура грунтов основания.

Обычно грунт основания представляют в виде трехфазной системы, в которой выделяют:

• Твёрдые частицы (скелет);

• Воду и водные растворы солей;

• Воздух и водяной пар
  

т. е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком или газообразном. Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухфазной системой.

Объём пор в грунте, заполненых влагой и воздухом (паром), несложно определить через понятие плотности. Например, естественная плотность песка обычно составляет около 1600 кг/м3, в тоже время плотность материала, из которого состоят сами частицы песка, чаще всего превышает 2500 кг/м3. А если такой песок высушить, то он теряет в весе не менее 10%, т.е. в обычном песке более 40% объёма ((1600-10%)/2500) - это поры, которые могут быть заполнены влагой или воздухом . При этом саму влажность (содержание влаги) определить довольно несложно путём взвешивания определённого объёма грунта в природном состоянии и после прокаливания (полного высушивания). Вот пример описания из одного реального геологического отчёта:

Рис. 3. Пример характеристик грунта из реального геологического отчёта.

В этом примере отчёта следует выделить также такую характеристику, как коэффициент водонасыщенности - отношение природной влажности грунта к его полной влагоемкости. Из приведённого фрагмента отчёта видно, что в перечисленных инженерно-геологических элементах (ИГЭ) менее половины пор занимает вода, остальное – это воздух.

Наиболее распространённая обывательская версия причин пучения грунта выглядит так: содержащаяся в грунте вода при замерзании расширяется и поэтому происходит вспучивание. С учётом затронутой выше структуры грунта такая точка зрения не выдерживает критики. И вот почему:

1. Вода при замерзании увеличивается на 9% в объёме.

2. Обычно в грунте есть поры, заполненные воздухом, замерзающей влаге есть куда расширяться - она будет занимать объём пор, в которых находится воздух. Увеличение в объёме грунта при замерзании в нём влаги возможно только при практически полном отсутствии воздушных пор, т.е. при водонасыщении, что встречается не так часто.

3. Даже в случае полного водонасыщения грунта влаги будет около 40% от объёма, поэтому увеличение объёма произойдёт на 3,6% (9% от 40% объёма). При 1,0 метре глубины промерзания это было бы всего 3,6 см подъёма ненагруженного гpунта, а у нагруженного ещё меньше. Большинство типов зданий способны пережить такие неравномерные деформации без последствия. В действительности же наблюдаемые деформации от морозного пучения часто превышают 10 см и могут достигать 20 см.

Т.е. такое представление о явлении пучения не способно объяснить, как происходит выпучивание гpунта.

Экспериментальные наблюдения показывают, что основной вклад в пучение вносит не расширение при замерзании поровой влаги, а образование ледяных линз:

Рис. 4. Механизм образования морозного пучения.

Вот натурные фотография из публикации на эту тему:

Рис. 5. Образование ледяных линз на границе двух типов гpунтов при промораживании грунта.

В ГОСТ 25100-2011 «Гpунты. Классификация» свойство гpунтов к образованию таких ледяных линз называется льдистостью.

Теории тепломассопереноса в грунтах.

Объяснений, почему при определённых условиях влага начинает стягиваться к морозному фронту в грунте, разными исследователями было дано много. Современные теории влагопереноса в пористых материалах объясняют, что движение влаги происходит по смешенному механизму:

• Капиллярное движение;

• Термодинамический перенос;

• Электростатическое движение;

• Движение в тонких плёнках;

• Осмотические процессы

Так или иначе, но движение влаги в промерзаемом грунте существует и оно приводит к перемещению воды из более глубоких слоёв грунта к фронту промерзания гpунта в направлении тепловых потоков.

В научных источниках этот процесс называется по-разному: #влагоперенос в грунтах при промерзании, #криогенная миграция воды, #массоперенос в мерзлых и талых грунтах

На этот процесс оказывает влияние несколько факторов. Установлено, что основными факторами определяющими процесс морозного пучения, являются:

• минералогический состав гpунта;

• наличие растворённых солей в грунтовой влаге;

• гранулометрический состав гpунта;

• влажность грунтов и характер увлажнения;

• интенсивность охлаждения, скорость и глубина промерзания;

• действующие статические нагрузки на грунт.

Основной характеристикой этого процесса является потенциал влажности (в англоязычной литературе soil water tension) – подобно аналогичному понятию электрический потенциал в электродинамике, разность потенциалов влажности грунта определяет, будет ли вода двигаться из одной точки гpунта в другую.

Разберёмся с температурными факторами, влияющими на процесс влагопереноса и пучение:

1. Взаимосвязь скорости промерзания и миграционного влагонакопления.

Многими исследователями отмечалось, что существует зависимость влагопереноса от скорости промерзания. В общем виде эта зависимость потока влаги q от скорости промерзания гpунта V выглядит вот так:

Рис. 6. Зависимость величины потока влаги от скорости промерзания гpунта.

Существует некая оптимальная скорость промерзания грунта Vопт, при которой влагоперенос и пучение будет максимальным. При уменьшении этой скорости уменьшается потенциал влажности и перенос останавливается. Если же скорость промерзания становится слишком большой, влага замерзает раньше, чем успеет переместиться к ледяной линзе, поэтому льдовыделение также прекращается.

В «Рекомендациях по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов» в п. 3.32 эта зависимость сформулирована так:

«Интенсивность пучения понижается по мере отклонения температурного градиента зоны промерзания в ту или иную сторону от критического значения, принимаемого в инженерных расчетах равным для глинистых гpунтов 10 град/м (0,1 град/см)».

Рис. 7. Зависимость миграционной влажности от скорости промерзания.

2. Удаление фронта влагонакопления от УПВ (УГВ).

В «Рекомендациях по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов» в п. 3.12:

«Наиболее распространенным путем увлажнения грунтов сезоннопромерзающего слоя грунтовыми водами является капиллярное передвижение воды в пределах капиллярного поднятия от зеркала грунтовых вод. Изменение положения УПВ влечет соответствующее перемещение каймы капиллярного поднятия, зона которой в зависимости от состава и сложения грунтов может достигать 3 - 3,5 м.»

Таб. 4. Влияние УПВ на увлажнение промерзающего грунта.

Следует учитывать, что наличие этого расстояния от подошвы до УПВ не означает отсутствие пучения, т.к. остаётся накопленная влага в грунте, которая может сместиться в область влагонакопления и образовать линзу, но, поток миграционной влаги будет меньше. При глубоком залегании уровня подземных вод (УПВ) или их отсутствии источником увлажнения могут быть атмосферные осадки, выпадающие в виде дождей в предзимний период.

Далее проведём несколько моделирований процесса промерзания в виде нестационарной задачи с изменяемой температурой на поверхности грунта. В качестве фундамента будет рассматриваться лента 400х800h, 400 мм заглубление относительно дневной поверхности. Используется горизонтальное утепление пенополистиролом XPS 24 кг/м3 толщиной 50 мм и шириной 60 см. Вертикальное утепление толщиной 50 мм.

В качестве функции изменения температуры на поверхности грунта воспользуемся статистическими данными средней температуры воздуха за декабрь 2012 года в г. Владимир. Моделирование производилось на периоде 30 суток с шагом 1 сутки. Характеристики элементов модели задавались с учётом справочных данных. Теплоёмкость и теплопроводность грунта основания задавалась с учётом данных для мерзлого и талого грунтов. Скрытая теплоёмкость фазового превращения воды в лёд не учитывалась (в запас). Температура в помещении – 20 гр. Цельсия. Перенос тепла на поверхностях – конвекционный, для поверхности грунта a =23 Вт/К*м2, для поверхности в помещении a =10 Вт/К*м2.

Использование утеплителя приводит к снижению глубины промерзания, а значит увеличению расстояния от фронта промерзания до УПВ:

Рис. 8. Изменение расстояния от фронта промерзания до УПВ при использовании утепления фундамента.

Таким образом, снижается общая миграционная влагонасыщенность.

3. Локализация пучения через задержку начала промерзания грунта и искривление фронта промерзания.

Согласно «Рекомендациям по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов», п. 3.35:

«Наличие стационарного слоя теплоизоляции поверхности грунта приводит к задержке начала промерзания грунта, исчисляемой периодом времени t»

Рис. 9. Динамика изменения температурных полей в процессе промерзания грунта.

Задержка при использовании указанной схемы утепления составляет более 10 дней. В результате возникает следующая ситуация:

Рис. 10 . Задержка начала промерзания, как фактор осушения.

В результате задержки происходит временная локализация областей пучения за пределами сжимаемой толщи грунта основания фундамента. В результате чего миграция влаги в эту область осушает грунт под подошвой фундамента, снижая там возможность вспучивания.

После задержки под подошвой фундамента установится всё же температура, при которой возможно начало пучения, но искривление фронта промерзания приведёт к тому, что основные области локализуются по рис. 11 левее и ниже, чем подошва фундамента, оттягивая и перехватывая на себя основную миграцию влаги, которая бы могла возникнуть в области грунта под подошвой:

Рис. 11. Локализация зоны пучения и перехват миграционных потоков влаги.

В «Рекомендациях по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов» суть этого явления отражена в п. 7.4:

«Эффективными противопучинными мероприятиями, обеспечивающими регулирование теплообмена промерзающих грунтов и управление процессом пучения и его силовыми воздействиями, являются в настоящее время мероприятия тепловой мелиорации. Тепловая мелиорация сводится к созданию в грунте в период промерзания температурного градиента горизонтального направления, что в условиях некоторого влагонакопления и осушения грунта позволяет: уменьшить или устранить промерзание грунта; повысить температуру мерзлого грунта, уменьшая тем самым значения касательных сил пучения; снизить интенсивность пучения грунта вследствие развития миграции влаги в сторону от фундамента»

Выводы:

• В ходе рассмотрения влияния утепления фундаментов выделено три основных температурных фактора:

1. Взаимосвязь скорости промерзания грунта и миграционного влагонакопления;
2. Удаление фронта влагонакопления от УПВ (УГВ);
3. Локализация пучения через задержку начала промерзания грунта и искривление фронта промерзания

• Проработана основа для численного расчёта эффективного утепления фундаментов.
• Обоснована избыточность рекомендаций СТО 36554501-012-2008.