БРУСЧАТОЕ ТРОТУАРНОЕ ПОКРЫТИЕ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно - к материалам уличного тротуарного покрытия.
Уровень техники
Из уровня техники известен элемент сборного тротуарного покрытия,  имеющий вид плиты с верхней лицевой стороной, нижней тыльной стороной и элементами соединения с другими модулями напольного покрытия, выполненной предпочтительно из упругого материала и снабженной размещенными на ее тыльной стороне опорными выступами предпочтительно с плоской опорной поверхностью, равномерно распределенными по площади плиты с образованием взаимно перпендикулярных рядов таких выступов, площадь поперечного сечения которых увеличивается в направлении от тыльной к лицевой стороне плиты с образованием арочных проемов между смежными опорными выступами в продольном сечении последних, перпендикулярном плите. Основание каждого опорного выступа плавно сопрягается с основаниями смежных с ним опорных выступов с обеспечением округлой формы сопряжения оснований смежных опорных выступов плиты, а на лицевой стороне плиты выполнены выступы и чередующиеся с ними впадины с плавным переходом выступов и впадин друг в друга, при этом впадины лицевой стороны плиты расположены напротив опорных выступов. (RU 149814 U1, Е04F 15/02, 20.01.2015).
Недостатком данного аналога является отсутствие системы подогрева и необходимость проведения работ по уборке дорожного или тротуарного покрытия от атмосферных осадков.
Также из существующего уровня техники известен способ удаления снега и наледи с поверхности тротуарной плитки, заключающийся в размещении электрического или жидкостного нагревательного элемента в теплорассеивающем слое песка под тротуарным покрытием. Недостатком данного технического решения является низкая эффективность, чрезмерные энергозатраты и необходимость высокой установочной мощности системы подогрева, поскольку большая часть тепловой энергии тратится на прогрев тротуарного покрытия при высокой теплоёмкости рассеивающего песчаного слоя, а не на таяние снега или наледи, что делает использование подобных систем экономически нерентабельным по сравнению с другими способами снегоочистки, особенно на больших площадях.
Сущность полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение эффективности работы системы подогрева для удаления снега и наледи с поверхности тротуарной плитки.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении доли тепловой энергии от нагревательного элемента, затрачиваемой на таяние снега и наледи на поверхности тротуарной плитки.
Технический результат заявленной полезной модели достигается за счет того, что брусчатое тротуарное покрытие содержит верхний лицевой и нижний теплоотражающий слои, причем по границе указанных слоев симметрично и равномерно выполнены каналы, в которые установлен гибкий электронагревательный элемент.
2
В частном случае заявленного технического решения верхний лицевой и нижний теплоотражающий слои выполнены из бетона, при этом верхний лицевой слой выполнен толщиной 7 мм, а нижний слой выполнен с коэффициентом теплопроводности λ=0,22 Вт/(м·°С).
В частном случае заявленного технического решения нижний слой содержит алюмосиликатные микросферы в количестве 45 масс.%.
2
В частном случае заявленного технического решения нагревательный элемент выполнен в виде электрического резистивного нагревательного кабеля удельным электрическим сопротивлением  0,10-0,15 Ом/(мм·м).
В частном случае заявленного технического решения каналы между слоями выполнены диаметром 2,4 мм, а нагревательный элемент - диаметром 2,0 мм.
В частном случае заявленного технического решения между слоями выполнено 4 канала.
В частном случае заявленного технического решения каналы между слоями выполнены с шагом 75 мм.
В частном случае заявленного технического решения каналы между слоями выполнены вдоль или  поперек  брусчатого тротуарного покрытия.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 – брусчатое тротуарное покрытие.
1 – верхний лицевой слой; 2 – нижний слой; 3 – электронагревательный элемент, установленный в каналы;
Раскрытие полезной модели
Заявленное брусчатое покрытие выполнено двухслойным, методом последовательной закладки бетонных смесей в форму и их виброуплотнением, с верхним - лицевым слоем (1) и нижним – теплоотражающим слоем (2). По границе указанных слоев симметрично и равномерно вдоль или поперек брусчатого покрытия выполнены каналы круглого сечения диаметром от 2,4мм с шагом до 75мм, в которые на этапе укладки брусчатого покрытия путём протягивания сквозь указанные каналы устанавливается гибкий электронагревательный элемент (3).
Лицевой (1) слой заявленного брусчатого тротуарного покрытия представляет собой слой бетона класса B55 толщиной 7мм, изготовленный методом виброуплотнения из 1 части воды, 3 частей белого портландцемента марки М700, 3 частей кварцевого песка с модулем крупности 2мм, 6 частей гранитного щебня фракцией 2-3мм, пластифицирующей поликарбоксилатной добавки из расчета 0,75% от массы цемента. Перед заливкой дно формы обрабатывается замедлителем поверхностного схватывания бетона типа Pieri DRC Micro с глубиной проникновения 0,5-1мм. После распалубки готового изделия лицевой слой обрабатывается струей воды под давлением, в результате чего гранитный щебень обнажается на 1/3 размера и обеспечивает дополнительные противоскользящие свойства.
3
Толщина лицевого слоя 7мм представляет собой минимально возможное, с целью минимизации затрачиваемого на его прогрев количества теплоты, значение, при котором после цикла виброуплотнения смесь равномерно распределяется по форме без визуально различимых пустот. Значение экспериментально определено путём заливки в безрельефную форму 300х300мм с шагом 1мм (после перерасчета из справочной плотности 2500 кг/м) вышеописанной смеси с классом удобоукладываемости П4 и последующей визуальной оценки спустя 30-секундный цикл виброуплотнения.
Нижний (2) слой заявленного брусчатого покрытия представляет собой слой бетона классом не ниже B22,5, согласно требованиям ГОСТ 17608-91, и толщиной 43-73мм, определяемой разницей между толщиной лицевого слоя 7мм и толщиной неармированных тротуарных плит согласно ГОСТ 17608-91, где наименьшим значением толщины является 50мм, а наибольшим – 80мм.
Нижний (2) слой изготавливается методом виброуплотнения из 1 части воды, 3 частей портландцемента марки М700, 3 частей полой алюмосиликатной микросферы (ПАСМС) фракционным составом от 0-500мкм до 0-100мкм, армирующего стекловолокна толщиной 10мкм из расчета 5% от массы цемента, микрокремнезема МКУ-85 из расчета 15% от массы цемента, гиперпластифицирующей поликарбоксилатной добавки из расчета 0,75% от массы цемента, упрочняющей гидрофобной добавки типа Lipaton 29Y40 из расчета 4% от массы цемента.
Состав верхнего слоя готового брусчатого покрытия, масс.%: портландцемент М700 25%, песок кварцевый мкр.2мм 25%, щебень гранитный фракции 2-3мм 50%. Состав нижнего слоя готового брусчатого покрытия, масс.%: портландцемент М700 - 46%, микросферы ПАСМС - 45%, микрокремнезем МКУ-85 - 7%, стекловолокно - 2%.
За счет высокой концентрации воздухонаполненных микросфер с собственным коэффициентом теплопроводности 0,06 Вт/(м·°С) нижний (2) слой заявленного брусчатого покрытия фактически является теплоизолятором для увеличения доли тепловой энергии, идущей на нагрев лицевого (1) слоя и обладает коэффициентом теплопроводности 0,22 Вт/(м·°С), что намного ниже коэффициентов теплопроводности 1,5-1,8 Вт/(м·°С) у допускаемых ГОСТ 17608-91 бетонов классов В22,5-В35.
2
Нагревательный элемент (3) представляет собой крученый нержавеющий стальной трос марки А2 (AISI 304, 08Х18Н10) средней жесткости плетением 7х7 в оболочке из термопластичного эластомера с температурным режимом эксплуатации от -40ºС до +80ºС. Выбор стали в качестве нагревательной жилы обусловлен низким удельным электрическим сопротивлением 0,10-0,15 Ом/(мм·м) и, соответственно, высоким тепловыделением при пропускании электрического тока, а также ценовой доступностью и легкостью коммутации.
В связи с особенностями производства стоимость стального троса (без оболочки) диаметром менее 1мм значительно возрастает, что, вкупе с увеличением его сопротивления и снижением тепловыделения в квадратичной зависимости от диаметра, делает использование троса (без оболочки) диаметром менее 1мм экономически неоправданным. Таким образом, с учётом минимальной толщины термопластичной оболочки 0,5мм, минимальный диаметр нагревательного элемента составляет 2мм.
Каналы круглого сечения между лицевым (1) и нижним (2) слоями брусчатого покрытия выполняются путём закладки стальных прутков, поверх которых натянуты тонкие гибкие трубки из любого полимерного материала, препятствующие адгезии стали к бетону, в заранее просверленные пазы на расстоянии 7мм от нижней границы заливочной формы.
Путём натурных испытаний выяснено, что оптимальный зазор между стенкой канала и нагревательным элементом для удобства его протягивания составляет 0.2мм. Таким образом, диаметр канала должен быть больше диаметра нагревательного элемента на 0,4мм.
Из-за особенностей укладки плитки, расположения коммутационных узлов вдоль одной стороны пешеходной поверхности, минимизации затрат при возможной замене повреждённых участков количество каналов может быть только чётным, чтобы обеспечить вход и выход как минимум одной нагревательной секции в пределах одного ряда плитки.
2
1
1
2
2
1
1
Максимально возможным шагом каналов примем расстояние, при котором в любой точке поверхности плитки после включения нагревателя будет фиксироваться одинаковая температура или разница температур будет незначительной (в пределах 5ºС), либо временной интервал t-t между временем достижения максимальной температуры в точке над нагревателем t и в точке посреди нагревателей t будет незначительным: (t-t)/t=0.2.
Для определения максимально возможного шага изготовлены образцы брусчатого покрытия с типовыми размерами 300х300мм согласно ГОСТ 17608-91 и чётным количеством каналов (2 и 4), расположенных на расстоянии 7мм от лицевой поверхности, внутрь которых помещена секция нагревательного элемента с рассчитанным удельным тепловыделением 15 Вт/п.м. Измерения температуры в точках проведены при помощи двух контактных термодатчиков с выносным дисплеем, один из которых расположен на поверхности плитки прямо над точкой размещения нагревательного элемента, а другой – над точкой посредине между каналами. Температура воздуха во время испытания +21ºС.
- при количестве каналов равном 2 шаг равен 150мм. Спустя 5 минут с момента включения нагревательного кабеля над каналом установилась максимальная температура +48ºС, между каналами +31ºС. Равномерного распределения тепла не достигнуто.
- при количестве каналов равном 4 шаг равен 75мм. Спустя 5 минут с момента включения нагревательного кабеля над каналом установилась максимальная температура +48ºС, между каналами +45ºС, что удовлетворяет поставленным условиям. Соответственно, любое значение, равное или меньшее 75мм, является оптимальным в качестве шага канала и нагревательного кабеля.
1
2
3
2
Увеличение доли тепловой энергии, затрачиваемой на процесс снеготаяния при использовании заявленного технического решения, доказывается снижением количества теплоты Q, затрачиваемого на прогрев лицевого (1) слоя, по сравнению с количеством теплоты Q для тротуарной плитки, изготовленной согласно ГОСТ 17608-91, минимально допустимой толщины 50мм из бетона наименьшей допустимой марки В22,5 при его минимальной справочной плотности 1800кг/м при одинаковой площади 1м, справочной теплоёмкости бетона и разнице температур.
2
1
2
1
2
1
Q/Q= (C·m·ΔT)/(C·m·ΔT) = m/m = 5,14
1
3
2
m = 0,007м · 2500 кг/м = 17,5кг – масса 1м слоя бетона B55 толщиной 7мм
2
3
2
m = 0,05м · 1800 кг/м = 90кг – масса 1м плитки из бетона B22,5 толщиной 50мм
Таким образом, количество тепловой энергии, требуемое для прогрева лицевого (1) слоя заявленного брусчатого покрытия, снижено более чем в 5 раз по сравнению с тротуарной плиткой, изготовленной согласно минимальным требованиям ГОСТ 17608-91. Заявленный технический результат является достигнутым.
2
2
Качественной характеристикой достижения технического результата является сравнение суммарных тепловых сопротивлений для заявленного тротуарного покрытия и существующих систем снеготаяния при одинаковой площади поверхностей (1м) по формуле R=L/(λ*S), где R – тепловое сопротивление [ºС/Вт], L – толщина участка [м], λ – коэффициент теплопроводности [Вт/(м·°С)], S – площадь поперечного сечения [м].
1
1
1
1
1
1
1
1) Определим тепловое сопротивление R лицевого (1) слоя заявленного брусчатого покрытия. R = L/(λ·S), где L = 0,007м, λ= 2,2 Вт/(м·°С), R = 0,0032 ºС/Вт.
2
2
2
2
2
2
2
2) Определим тепловое сопротивление R при минимальной толщине нижнего (2) слоя заявленного брусчатого покрытия. R = L/(λ·S), где L = 0,043м, λ= 0,22 Вт/(м·°С), R = 0,1954 ºС/Вт.
3
3
3
3
3
3
3
3) Определим тепловое сопротивление R при минимальной толщине тротуарной плитки, изготовленной по ГОСТ 17608-91, минимально допустимой толщины 50мм из бетона наименьшей допустимой марки В22,5. R = L/(λ·S), где L = 0,05м, λ= 1,51 Вт/(м·°С), R = 0,0331 ºС/Вт.
4
4
4
4
4
4
4
4) Определим тепловое сопротивление R теплорассеивающего песчаного слоя 10см, рекомендуемого производителями кабельных систем снеготаяния, при условии сухого состояния песка. R = L/(λ·S), где L = 0,1м, λ= 0,35 Вт/(м·°С), R = 0,2857 ºС/Вт.
5
5
5
5
5
5
5
5) Определим тепловое сопротивление R подстилающего слоя гранитного щебня 10см фракции 5-20мм, рекомендуемого производителями тротуарной плитки. R = L/(λ·S), где L = 0,1м, λ= 3,5 Вт/(м·°С), R = 0,0286 ºС/Вт.
1
2
Исходя из значений R = 0,0032 ºС/Вт и R = 0,1954 ºС/Вт можно сделать вывод, что в заявленном брусчатом покрытии скорость прохождения тепла через лицевой (1) слой намного (в 61 раз) превышает аналогичный показатель нижнего (2) слоя, что позволяет характеризовать лицевой (1) слой как проводник, а нижний (2) слой – как теплоизолятор.
6
7
6
3
4
7
5
4
Рассчитаем тепловые сопротивления, действующие на распространение тепла от нагревательного элемента, расположенного по центру песчаного слоя, как в сторону тротуарной плитки (R), так и в сторону слоя щебня (R). R = R + 0,5·R = 0,1760 ºС/Вт. R = R + 0,5·R = 0,1715 ºС/Вт. Таким образом, скорости распространения тепла в обе стороны от нагревательного элемента идентичны, что характеризует и верхний (плитка + половина слоя песка) и нижний (половина слоя песка + слой щебня) слои как проводники.
Пример 1. Тротуарная плитка 600х300х50мм с 4 каналами, идущими вдоль короткой стороны (300мм) на расстоянии 75мм друг от друга.
Пример 2. Тротуарная плитка 200х100х60мм с 2 каналами, идущими вдоль короткой стороны (100мм) на расстоянии 50мм друг от друга.
Коммутация нагревательного элемента с электрической сетью осуществляется через электрораспределительные устройства (соединительные и концевые кабельные муфты, токопроводящие шины, монтажные коробки) с использованием комплекса контрольно-измерительной и защитной аппаратуры (цифровые метеостанции, блоки веерного управления, блоки приоритетной нагрузки, УЗО, автоматические выключатели).
Изделие может выпускаться в любых типоразмерах и толщинах.