СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА
METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF THE UPPER LAYER OF ROAD PAVEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам и устройствам для предотвращения скользкости дорожных покрытий и защиты их от атмосферных воздействий.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известна конструкция дорожной одежды, где в качестве верхнего (лицевого) слоя используется асфальтобетон, укладываемый поверх нижележащего (несущего) слоя из монолитного или сборного железобетона. Частным случаем такой конструкции является дорожное полотно на мостовых пролётах (“Устройство покрытий на мостах и искусственных сооружениях” – ч.6: “Технология устройства дорожной одежды на железобетонной плите”, НП МОД Союздорстрой, 2013).
Недостатком данного технического решения является повышенный коэффициент линейного теплового расширения асфальтобетонов α=3..7*10-5 м/(м*°С) по сравнению с α=1*10-5 м/(м*°С) у цементобетона, что приводит к появлению необратимых деформаций в асфальтобетоне при суточных и сезонных колебаниях температуры воздуха, а также под воздействием солнечного излучения. (Леонович И.И., Мельникова И.С. "Анализ причин возникновения трещин в дорожных покрытиях и критерии их трещиностойкости". Журнал "Строительная наука и техника" №4-2011, с.37-41, Минск, Республика Беларусь).
Также из существующего уровня техники известна конструкция дорожной одежды, содержащая 2 слоя цементобетона, где верхний (лицевой) слой выполнен, например, из бетона более высокого класса по прочности, чем нижележащий слой. Частным случаем такой конструкции является взлётно-посадочная полоса с искусственным покрытием (СП 121.13330.2012 “Аэродромы”, ч. 7 “Аэродромные покрытия”, п. 7.3. “Жёсткие покрытия”).
Недостатком данного технического решения является повышенный коэффициент теплопроводности λ=2,1 Вт/м*К цементобетона в сравнении с λ=0,9 Вт/м*К асфальтобетона (В. Блази. “Справочник проектировщика. Строительная физика”. - М.: Техносфера, 2004. – с.66). Коэффициенты трения скольжения комбинаций “резина-бетон” и “резина-асфальт” сопоставимы (Крагельский И.В., Виноградова И.Э. ”Коэффициенты трения. Справочное пособие" М.:Машгиз, 1962, с.148), т.е. на цементобетонном полотне схожей шероховатости опасное для сцепления с поверхностью обледенение при переходе температуры воздуха через 0°С происходит быстрее, чем у асфальтобетона, за счёт более быстрого охлаждения поверхности, что требует повышения скорости и стоимости противогололёдной обработки.
Из уровня техники известен способ регулирования температуры дорожного полотна, заключающийся во встраивании в его конструкцию трубок с теплообменной жидкостью для нагрева и охлаждения или электронагревателей (в дальнейшем теплообменные элементы). (В.Г. Николаев, “Обогрев и охлаждение дорог”, журнал “Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века”, №11-2007, с.34). Целью терморегулирования является управление тепловым расширением асфальтобетона для предотвращения образования трещин и повышения ресурсных характеристик, а также защита от образования наледи на поверхности. В частном случае, при обустройстве двух твёрдых слоёв дорожной одежды, конструкция которой описана выше, теплообменные элементы могут быть уложены поверх нижнего (несущего) слоя железобетона, после чего производится укладка верхнего (лицевого) слоя - асфальтобетона или цементобетона.
Недостатком данного технического решения является высокая теплопроводность нижнего слоя железобетона (λ=2,1 Вт/м*К), нагрев или охлаждение которого не является полезной работой (т.к. теплообмен дорожного полотна с окружающей средой происходит сверху вниз - со стороны верхнего слоя) и фактически относится к теплопотерям. Так, при использовании цементобетона в качестве верхнего слоя скорость теплопередачи между нижним слоем и теплообменным элементом равна аналогичному показателю для верхнего за счёт схожих коэффициентов теплопроводности, а при использовании асфальтобетона с λ=0,9 Вт/м*К – в 2,3 раза выше, т.е. речь идёт о значительных теплопотерях в конструкции.
Из уровня техники известен способ ускорения теплопередачи между теплообменным элементом и нагреваемой (охлаждаемой) средой путём размещения теплоизоляционного материала между теплообменным элементом (или средой, в которой он расположен) и средой, не требующей теплообмена. Частным случаем является технология “тёплый пол”, где нижний (несущий) слой от теплообменного элемента или среды, температуру которой он регулирует, отделяет вспененный материал с λ=0,03-0,1 Вт/м*К (XPS, EPP, EPS, PPE…).
Недостатком данного технического решения является низкая прочность подобных материалов на сжатие, т.е. они не могут использоваться для передачи нагрузок между слоями в описанных выше дорожных одеждах. К примеру, предел прочности при сжатии у одного из наиболее прочных используемых в строительстве теплоизоляторов “Пеноплэкс” - 0,5 МПа (ТУ 5767-006-56925804-2007), в то время как у асфальтобетона этот показатель - от 0,8 до 13,0 МПа (ГОСТ 9128-2013), а цементобетона – от 25 МПа (ГОСТ 33148-2014).
Сущность изобретения
Задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является повышение эффективности нагрева и охлаждения верхнего слоя жёсткой дорожной одежды при использовании теплообменных элементов.
Технический результат заявленного способа заключается в повышении скорости теплопередачи между теплообменным элементом и верхним слоем жёсткой дорожной одежды по сравнению с известными из уровня техники способами.
Технический результат заявленного способа достигается за счёт размещения под верхним слоем жёсткой дорожной одежды, внутри которого находятся теплообменные элементы, слоя теплоизоляционного цементобетона с прочностью при сжатии не менее 25 МПа на основе полых микросфер, выполненного в виде заранее произведённых плит, содержащих пазы полукруглого сечения для укладки теплообменных элементов.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего способа следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 - разрез жёсткой дорожной одежды, в которой применён заявленный способ.
1 - верхний слой; 2 - нижний слой; 3 - слой теплоизоляционного цементобетона; 4 - теплообменный элемент в пазе полукруглого сечения
Сущность изобретения
Заявленный способ заключается в размещении между верхним (1) и нижним (2) слоями жёсткой дорожной одежды теплоизоляционного слоя (3) цементобетона на основе полых микросфер, выполненного в виде заранее произведённых плит с прочностью при сжатии не менее 25 МПа, и содержащего пазы полукруглого сечения для последующей укладки теплообменных элементов (4).
Теплоизоляционные свойства цементобетона (3) достигаются за счёт использования в качестве наполнителя полых микросфер (алюмо- или боросиликатных, стеклянных и др.),  с низким коэффициентом теплопроводности λ=0,03-0.1 Вт/м*К, чьё влияние на снижение теплопроводности цементобетонов при сохранении прочностных характеристик доказано, к примеру, в патентах RU 2515450,  RU 2154619, RU 2355656, а также в патенте RU 176727.
В заявленном способе минимальным достаточным условием является соответствие цементобетона, используемого в теплоизоляционном (3) слое, классу прочности на сжатие, эквивалентному используемому в нижнем (2) слое дорожного полотна железобетону, B25, или 25 МПа, что следует из п. 5.2.5. ГОСТ 33148-2014 “Дороги автомобильные общего пользования. Плиты дорожные железобетонные. Технические требования”.
В заявленном способе плиты из теплоизоляционного (3) цементобетона укладываются на нижний (2) слой при помощи сильно адгезирующего связующего.
Технический результат заявленного изобретения, заключающийся в повышении скорости теплопередачи между теплообменным элементом (4) и верхним (1) слоем, считается достигнутым, поскольку коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя (3), содержащего полые микросферы, в любом случае ниже, чем у нижнего (2) слоя цементобетона. Эффективная толщина теплоизоляционного слоя (3) определяется расчётом тепловых сопротивлений для конкретного объекта, зависит от типа и толщины верхнего (1) слоя, мощности теплообменной системы (4), условий климата и др.