Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируются по направлению подачи тепла в грунт и виду используемого теплоносителя.
Оттаивание сверху вниз. Этот способ наименее эффективный, так как источник тепла в этом случае размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери тепла. В то же время его достаточно легко и просто осуществить, он требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем часто применяется на практике.
Оттаивание снизу вверх предполагает бурение скважин, в которые опускаются источники тепла. Расход энергии в этом случае минимальный, т. к. благодаря слою грунта потерь тепла практически нет. Некоторые специалисты даже считают, что не требуется утеплять сверху обрабатываемую площадь слоем опилок и тому подобных материалов. Главный недостаток этого способа — трудоемкие подготовительные операции, это ограничивает область его применения.
Оттаивание по радиальному направлению. В этом случае тепло распространяется в грунте перпендикулярно от вертикально погруженных в грунт источников энергии. Этот способ по экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для осуществления также требует значительных подготовительных работ.
Независимо от принятого способа отогреваемая поверхность предварительно очищается от снега, льда и верхних покровов основания (асфальт, бетон).
Термоэлектрические маты
Маты термоэлектрические (термоматы) — это инфракрасные нагреватели, многофункциональное и экологичное вспомогательное строительное оборудование, они позволяют эффективно прогревать грунт и застывающий бетон при небольшом потреблении энергии, поддерживают заданную температуру в автоматическом режиме, а некоторые модели могут использоваться для растапливания снега и льда. В конструкцию термоматов входят греющая пленка, излучающая тепо в инфракрасном диапазоне, с теплоизоляцией, представляющая собой многослойный «сэндвич» из полипропилена или пенополиэтилена толщиной 6–10 мм, ограничители для поддержания постоянной температуры и грязеводонепроницаемая ПВХоболочка с герметично запаянными швами, устойчивая к неблагоприятным атмосферным воздействиям. Выпускаются в виде прямоугольных полотнищ различной площади и рулонов значительной длины.
Возможности термоматов. Многие западные и отечественные специалисты считают, что прогрев грунта термоэлектрическими и термоизоляционными матами — оптимальная технология для оттаивания больших площадей мерзлого грунта и льда. Они могут работать от однофазных источников электроэнергии с напряжением 220 В. Работают лучше, чем солнце в весенний день, — 24 часа 7 дней в неделю. Способны нагревать грунт до температур на 50–80 °С выше температуры окружающего воздуха и прогревают сильно промерзший грунт на глубину до 450–800 мм за 20–72 часа работы в зависимости от температуры воздуха и свойств грунта. Снег и лед превращаются в воду, которая впитывается в грунт и размораживает нижележащие слои грунта. Они способны разморозить замерзшие канализационные трубы на глубине до 2,5 м. Допустимая температура работы термоматов может составлять до −35 °С. Удельная мощность, излучаемая термоматами, может достигать нескольких сот ватт на 1 м2. За счет проникающих свойств и направленного действия инфракрасного излучения, а также контактной передачи тепла от поверхности термомата прогрев грунта происходит с высокой эффективностью одновременно сразу на всю глубину промерзания.
Результаты испытаний. В технической литературе приводятся описания испытаний одной из моделей термоматов размером 1,2 х 3,2 м и мощностью 800 Вт/м2. Эксперимент проводился в конце зимы, в период наибольшего промерзания грунта. Прогрев грунта термоматами происходил в автоматическом режиме при температуре воздуха –20 °С, начальной температуре грунта –18 °С, верхний слой грунта в 20 см состоял из смеси глины, песка и шлака, далее шла чистая глина. Участок был очищен от снега, поверхность максимально выровнена, на нее уложена полиэтиленовая пленка. Далее укладывались термоматы один вплотную к другому без перекрытия и подключались к электропитанию по «параллельной» к электропитанию по «параллельной» схеме. В первые часы все выделенное тепло поглощалось грунтом и термоматы работали не отключаясь, затем, с прогревом поверхности грунта до 70 °С, термоматы начинали отключаться, а когда температура термомата опускалась до 55–60 °С, он снова включался. На время прогрева влияют начальные условия (температура воздуха и грунта) и свойства грунта (теплопровод¬ность, влажность). Испытания показали, что для прогрева данного грунта на глубину 600 мм необходимо от 20 до 32 ч.
Термоматы создают стабильный тепловой поток, что является необходимым условием качественного затвердевания бетона в зимнее и летнее время и исключает появление температурных трещин. Марочный бетон за 11 ч набирает прочность, которую он приобрел бы за 28 суток в естественных условиях. Высокая скорость схватывания бетона достигается за счет проникновения инфракрасных лучей в толщу бетонной массы.
Преимущества термоматов. Оборудование не требует предварительной подготовки и полностью готово к работе; относительно невысокая стоимость; простота настройки и обслуживания; малый вес и удобство в эксплуатации, от работников не требуется специальных навыков; высокий КПД и низкое энергопотребление, например 0,5 кВт • ч на 1 м2 . Термоэлектроматы полностью безопасны. В каждом сегменте термомата есть термоограничитель, температура не поднимется выше заданной. Оборудование не загрязняет окружающую среду. По требованию заказчика термоматы могут производиться с индивидуальными параметрами мощности и размеров.
Недостатки термоматов. Необходимость обеспечения электропитания и постоянного контроля работы оборудования; отсутствие антивандальной защиты, относительная нестойкость к повреждениям.
Гидравлические станции для прогрева грунта
Если нужно прогреть грунт зимой на большой площади, например под устройство бетонной подушки в 400 м2 и более, обычными способами — термоматами, инфракрасными излучателями, тепловыми пушками, навряд ли получится разогреть такую массу земли на такой площади. Скорее всего здесь будет эффективна технология прогрева земли с помощью парникового эффекта, который создается гидравлическими станциями. В настоящее время западные компании широко применяют технологию размораживания грунтов гидравлическими станциями в зимний период для проведения землеройных и бетонных работ. Компактные гидравлические станции для прогрева грунта появились на мировом рынке строительного оборудования около 15 лет назад.
Конструкция и работа установки.
Сама установка представляет собой мобильную мини-котельную. Прицеп, на котором размещается гидравлическая станция, устанавливается как можно ближе к участку, который должен прогреваться.
Прогреваемая поверхность расчищается от снега. Тщательная расчистка позволит сократить время оттаивания на 30 %, сэкономит топливо, избавит от грязи и лишней талой воды, затрудняющей дальнейшее ведение работ. Включается котел, в котором нагревается теплоноситель. В качестве теплоносителя чаще всего используют воду, но на Западе в ходу и водно-гликолевая или пропилен-гликолевая смесь. Максимальная температура нагрева теплоносителя в современных установках (в зависимости от производителя) находится в пределах 75–90 °С. Цифровой термостат позволяет оператору просто регулировать температуру теплоносителя. Нагревательный котел оснащается горелкой, работающей на газе или дизельном топливе. Нагретый до заданной температуры теплоноситель поступает в термоизолированную емкость. Из емкости теплоноситель с помощью насоса нагнетается в нагревающие шланги.
Нагревающие шланги разматываются из катушки. Рекомендуется укладывать их «змейкой» в 2–4 ряда в зависимости от того, какой интенсивности требуется прогрев. Чем меньше расстояние между витками (например, 450 мм), тем меньше времени потребуется на прогрев поверхности. В зависимости от межшлангового расстояния можно добиться нужной площади и скорости прогрева. Входы и выходы шлангов подсоединяются к распределительному коллектору станции так чтобы теплоноситель циркулировал через них по замкнутому контуру. В принципе, шланги можно укладывать по произвольной схеме, по форме и рельефу прогреваемой поверхности тоже ограничений нет.
Шланги армированы синтетическим волокном и обладают исключительной гибкостью и прочностью на разрыв. Исправность и готовность оборудования к работе контролируется встроенными датчиками. Шланги и прогреваемый участок обязательно закрываются паронепроницаемой или полиэтиленовой пленкой внахлест (особенно важно при работе с бетоном) и теплоизолирующими матами (утеплителем), чтобы создать «парниковый эффект» и уменьшить потери тепла в окружающий воздух. Чем тщательнее будет изолирована прогреваемая поверхность, тем меньше потребуется времени, чтобы прогреть грунт. Пленка не позволит нагретой воде испариться. Талая вода растопит лед в нижних слоях грунта.
Время подготовки к прогреву занимает всего лишь около 30 минут.
Открывается кран — и нагрев пошел!
В гидравлических станциях некоторых производителей есть возможность при необходимости увеличить в несколько раз номинальную площадь прогрева грунта за счет подключения дополнительного насоса и дополнительных шлангов. Прогрев мерзлого грунта осуществляется в относительно короткие сроки — 20–30 ч, но при необходимости возможна непрерывная эксплуатация таких установок и до 60–130 ч. Такая установка имеет к.п.д. до 94 %, то есть практически все тепло, вырабатываемое установкой, идет на прогрев грунта. Средняя скорость размораживания грунта подобным методом составляет 300–600 мм в глубину в сутки. Однако при более плотной укладке нагревательных рукавов и тщательной теплоизоляции можно увеличить темп размораживания.
Прочие возможности применения.
Вскоре после начала использования этой технологии выяснилось, что гидравлические станции также помогают ускорить процесс застывания бетона зимой, не давая влаге в бетоне превратиться в лед даже при температурах от –30 до –40 °С. Бетону для застывания требуется тепло: чем теплее будет бетон, тем скорее он отвердеет, оптимальная температура для застывания от +20 до +25 °С. В сильный мороз бетон будет твердеть очень долго и потеряет качество. Кроме того, прогревающие гидравлические станции можно использовать для обогрева теплиц и цветников, отопления помещений, предотвращения обледенения футбольных полей и т.д.
Преимущества и недостатки. Преимуществами данной технологии перед другими методами являются: возможность отогревать значительные площади грунта; простота в эксплуатации, обслуживании и хранении оборудования; использование оборудования не требует специфических знаний, навыков и длительного обучения персонала; автономность, мобильность и многофункциональность оборудования; стабильность результатов при производстве работ; минимальные трудовые и материальные затраты на подготовку прогреваемой поверхности; экологичность и безопасность — нет опасности поражения электрическим током и горячим теплоносителем, не создает магнитных полей, прогревающие шланги полностью герметичны.
К недостаткам можно отнести высокую стоимость оборудования (2– 3 млн руб.), необходимость постоянного присутствия оператора при производстве работ.
Шатер и нагревательное оборудование
Далее представим несколько способов прогрева, для которых общим является наличие некоего строения над прогреваемым участком и источника тепла.
Прогрев горячим воздухом. Довольно простой и доступный метод прогрева грунта — с помощью горячего воздуха — позволяет размораживать грунт в самое холодное время. Предварительно с отогреваемого участка необходимо убрать снег.
Над участком возводится временное строение — тепляк или шатер. Тепляк — временное каркасно-тентовое строительное укрытие для гидрои теплоизоляции. Применяется при выполнении строительных работ. Внутри устанавливается дизельная, газовая или электрическая тепловая пушка, газовая горелка или печка. Воздух в тепляке/шатре может нагреваться до 50–65 °C. Стены и крышу тепляка/ шатра можно накрыть имеющимися тепло¬изолирующими материалами или даже лапником из леса.
Преимущества. Соорудить такое временное помещение или развернуть такую установку намного проще, и требуется меньше трудозатрат, чем на оборудование для прогрева грунта других типов. Одновременно с размораживанием эта установка подсушивает грунт, и его становится легче копать. Западные производители такого оборудования утверждают, что их установки прогревают и высушивают грунт в два раза быстрее, чем при использовании гидравлических станций со шлангами, по которым циркулирует горячий теплоноситель.
Недостаток. Слабая теплоизоляция, отсюда большие потери тепла, воздушные тепловые пушки передают грунту всего около 15 % тепловой энергии.
Отражательные печи. Как показал опыт, при ремонте коммунальных городских сетей наиболее удобным и быстрым является метод отогрева мерзлого грунта отражательными (рефлекторными) печами, которые подвешиваются изнутри к крыше тепляка — открытого снизу короба с утепленными стенками и крышей.
Отражательные печи имеют сверху рефлектор параболической формы из алюминиевого, дюралюминиевого или стального хромированного листа толщиной 1 мм. В фокусе параболы, который находится на расстоянии 60 мм от рефлектора, располагается источник тепловых лучей: электрическая спираль накаливания, водяная или паровая батарея. Рефлектор фокусирует тепловые лучи на нижележащем участке земли, за счет этого энергия расходуется более экономично, а оттаивание грунта происходит более интенсивно, чем при нагреве теплым воздухом. Сверху печь закрывается стальным кожухом, защищающим рефлектор от механических повреждений. Между кожухом и рефлектором имеется прослойка воздуха, улучшающая теплоизоляцию печи. Спираль накаливания изготавливается из нихромовой или фехралевой проволоки диаметром 3,5 мм, навитой спиралью на изолированную асбестом стальную трубу. Нихром (Ni-Cr и Ni-Cr-Fe) получил название от никеля («ни») и хрома («хром») в своем составе, а фехраль (Fe-Cr-Al) назван по первым буквам основных элементов («фе», «хр», «аль»). На современном рынке фехраль дешевле нихрома как минимум в 3–5 раз. Однако нихром способен выдержать большее количество циклов включения-выключения нагревательных элементов до их перегорания.
Продолжение в следующем номере