Лед и снег - строительные материалы
ЛЕД И СНЕГ — СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
С постройками из льда и снега мы весьма обстоятельно знакомимся в детстве. Белые чертоги Смежной королевы, пышный дворец Морозко, скромный ледяной домик, в который перешел на житье заяц, изгнанный лисой из лубяного дома...
Идея таких зимних построек не кажется детям далекой от реальности. По крайней мере тем детям, которые знают, что такое снег. Ведь из него можно слепить снежок н снежную бабу, построить снежную крепость. А если так, то почему бы не сделать из застывшей воды что-нибудь посерьезнее?
МЕСТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЗАПОЛЯРЬЯ
У некоторых северных народов, в частности у эскимосов, есть уже немалый опыт снежного строительства. Снежные хижины — иглу — прочны и достаточно теплы, а для их возведения не требуются привозные материалы. Все что нужно — а нужны тонкие плиты слежавшегося снега — всегда под рукой. Внутри хижины можно спокойно разводить огонь: повышение температуры только упрочняет свод. Внутренняя поверхность оплавляется, ровная ледяная пленка ослабляет теплообмен, и дальнейшее таяние снега прекращается.
Из льда и снега строили н более внушительные сооружения. Вспомним ледяной дом, построенный в Петербурге на берегу Невы, между Адмиралтейством и Зимним дворцом. Этот дом — одна из многочисленных забав императрицы Анны Иоанновны, охочей до развлечений, был выстроен в 1740 г к потешной свадьбе придворного шута князя М. А. Голицына. Потеха потехой, однако дом выглядел внушительно: около 17 метров в длину и 6 метров в ширину, все из плит чистого льда, политого водой; двери, окна, архитектурные украшения, мебель, даже пушки перед домом — тоже из льда...
Хотя ледяной дом с практической точки зрения ценности не представлял, он показал отличные возможности льда как строительного материала. Однако строители не торопились воспользоваться этими возможностями. Спору нет, в умеренных широтах, где зимы не так_ уж морозны, а оттепели бывают довольно часто, из снега и льда не построишь чего-нибудь очень надежного. Но ведь есть и полярные районы, которые занимают примерно 7% поверхности Земли, и год от года они становятся все более обитаемыми.
Но почему только Заполярье? Огромные пространства Сибири по климатическим условиям недалеко от него ушли...
Так выглядел ледяной дом. построенный в Петербурге в 1740 году
Значительно более полезное сооружение изо льда - временный причал в низовьях Енисея.
СКЛАДЫ, ДАМБЫ, МУЗЕИ...
Посмотрим, что уже сделано изо льда и снега — не для потехи, а настоящего.
С давних пор известны зиминки — временные зимние дороги, по которым (а часто только по которым) можно добраться из пункта А в пункт Б. Не первое столетие применяют лед для так называемых выморозочных работ при ремонте судов и расчистке речных фарватеров. В этом случае лед служит временной перемычкой, которая принимает на себя напор воды, защищая суда.
Но, пожалуй, чаще всего из льда и снега делают склады. Первый проект такого ледяного склада разработал советский инженер М. М. Крылов; было это в начале тридцатых годов.
В складах, у которых пол, стены и перекрытия сделаны из льда, хранят обычно овощи, фрукты, соленья, молочные продукты. Низкую температуру поддерживают льдосоляными смесями, и внутри склада всегда прохладно, от 0 до —4°С. Сейчас все чаще строят ледяные склады с небольшими холодильными установками, которые понижают температуру до —10°С, и тогда за ле-
Армирующие волокна существенно повышают прочность льда. Мерзлые грунты с высоким содержанием льда непроницаемы для нефтепродуктов и сжиженных газов; это их свойство было обнаружено в 1951 г. специалистами Института мерзлотоведения им. В. А. Обручева. Преимущества подземного хранения топлива и газа перед хранением их в металлических емкостях бесспорны для любого района, а на севере, где так трудна транспортировка, эти преимущества важны вдвойне.
Обычно подземные хранилища делают в монолитных горных породах или же в соляных залежах. Это обходится отнюдь не дешево. Льдогрунтовые хранилища в толще вечномерзлых пород проще и дешевле. Так как эти породы непроницаемы и весьма устойчивы, то конструкция хранилища не отличается особой сложностью. Чтобы убедиться в этом, взгляните на схему первой такой подземной емкости, построенной еще в 1953 г. (см. стр. 21). Ее наполнили бензином, а затем, через несколько лет, проверили, не произошло ли с бензином чего-нибудь дурного. Ничего не произошло — бензин по-прежнему был вполне годен к употреблению.
Схема ледяного склада, предложенного М. М. Крыловым. 1 — земляная присыпка, 2 — льдосоляные карманы, 3 — ледяной массив, 4 — термоизоляция, 5 — двойные шторы из мешковины, 6 — тамбур.
Строить такие хранилища можно не только в каких-то особо благоприятных районах, а на огромной территории — на побережье Ледовитого океана, в Якутии и на Чукотке, на Северо-Сибирской и Яно-Индигирской низменностях. Места, как видите, предостаточно.
Еще одна сфера использования льда — гидротехника. Вековая практика подтвердила, что лед для гидротехнических сооружений весьма хорош. На многих сибирских реках еще с XVIII века возводят ледяные причальные пирсы и дамбы, перемычки и молы. И не зря. Ледяные причалы, например, незаменимы, когда надо резко увеличить пропускную способность порта, особенно в половодье — ведь тогда многие причальные сооружения оказываются под водой. Обычные причалы из дерева или камня нередко разрушаются во время ледохода, а возводить железобетонные сооружения, скажем в низовьях Лены, удается далеко не всегда. Вот тут и обращаются ко льду, защищая его, правда, изоляцией — от разрушения дождями и волнами.
В Дудинском и Игарском портах были построены и успешно работали причальные пирсы и дамбы из льда. В низовьях Енисея возводились и временные ледяные сооружения (на одни сезон), и постоянные, рассчитанные на много лет. В течение четырех лет, пока строили традиционные причалы из дерева, камня и железобетона, суда разгружались у ледяных пирсов. Очень помогают временные пирсы и при пиковых нагрузках начала летней навигации.
И наконец, совсем немного о музеях, обещанных в заголовке. Около сорока лет назад одни из основателей мерзлотоведения М. И. Сумгин высказал мысль — построить в зоне вечной мерзлоты естественный музей- холодильник. На глубине 15 м и ниже температура в течение многих веков практически не меняется — она колеблется в пределах от минус 10 до минус 12°С. В таком музее могли бы храниться в первозданном виде рукописи, рисунки и фотографии, орудия труда и предметы быта, коллекции флоры и фауны.
Первый подземный музей уже существует. Его создали не так давно сотрудники Игарской научно-исследовательской мерзлотной станции. В этом музее, сооруженном в подземелье, есть растения, собранные в тайге и тундре, здесь представлены северные птицы, рыбы, млекопитающие. Скованные морозом, эти экспонаты выглядят словно живые.
А в отдельном ящике, замурованном в вечномерзлом грунте, — подшивки газет, выходивших в годы войны. Этот ящик будет открыт 9 мая 2045 года...
КАК УЛУЧШАЛИ СНЕГ И ЛЕД
Попробуем теперь разобраться, что мешает и что благоприятствует использованию льда и снега в строительстве.
Мешает, конечно, то, что при атмосферном давлении лед и снег тают, как только температура поднимется выше нуля. Если к этому добавить, что они склонны непрерывно деформироваться даже под действием собственного веса, то становится не совсем понятным, как из столь капризных материалов, можно вообще что-нибудь построить.
Между тем о реальности такого строительства говорят не только приведенные выше примеры, но и строгий инженерный расчет. Ведь у льда и снега не сплошь отрицательные свойства. Среди положительных же самое важное, пожалуй, — способность к рекристаллизации, росту крупных кристаллов за счет мелких. Это позволяет получать монолитные конструкции из отдельных кусков материала. К тому же результату, ведет так называемая режеляция снега и льда. Сущность этого любопытного явления в том, что на отдельных участках частицы льда вступают в столь тесный контакт, что возникают значительные давления. Температура таяния при этом понижается, образуется вода и частицы льда слегка плавятся. Потом вода попадает в зону с меньшим давлением и вновь замерзает. Так образуется монолит.
И рекристаллизация, и режеляция проявляют себя не только при смерзании отдельных кусков льда, но также при уплотнении снега; вот почему для строительных целей можно иногда использовать и снег (что и делали, не ведая вовсе о режеляции, эскимосы).
Любой из читателей, который хоть раз проваливался в сугроб, согласится с автором: из сухого снега без дополнительной обработки ничего не построить. Снег надо уплотнить и еще, может быть, перемешать и увлажнить.
Одно из самых замечательных свойств снега — возрастание прочности не только при уплотнении, но и потом, когда механическая нагрузка уже снята. Кристаллы смерзаются, в уплотненной массе образуется ледяной скелет, и за несколько часов после уплотнения прочность возрастает иногда более чем в десять раз. Чтобы достичь наивысшей прочности, снег уплотняют, а затем перемешивают и сжимают вновь; так делают, например, хорошие снежные дороги.
Лед, казалось бы, намного прочнее, однако и он течет под нагрузкой, причем совсем небольшой — чуть выше 0,5 кг/см2. Поэтому возникла очевидная идея — сделать материал изо льда с каким-либо наполнителем, играющим роль каркаса.
Схема первого экспериментального хранилища для бензина в мерзлом грунте.
Исследования льда, наполненного древесной пульпой, начались в Англии еще в 1942 г. Добавка пульпы увеличивала прочность и вязкость льда почти вдвое.
Причина, побудившая исследовать наполненный лед, была весьма своеобразной. Англичанин Дж. Пайк предложил построить ледяной корабль-айсберг, палуба которого могла бы служить аэродромом. Борта такого корабля и' предполагалось построить из льда с добавкой пульпы. Хотя корабль был рассчитай на плавание в северных морях, на нем собирались поставить холодильные машины, которые поддерживали бы температуру около —15СС. Был готов уже рабочий проект “айсберга” водоизмещением 2200 тысяч тонн, но строительство так и не началось — появились новые самолеты, которым нужны были слишком длинные посадочные полосы...
В начале шестидесятых годов исследователи вновь обратились к проблеме прочности льда. Работы шли в основном в двух научных центрах — в Арктическом научно- исследовательском институте (СССР) и в Массачусетсском технологическом институте (США). В качестве добавок брали древесные и хлопковые волокна, стекловолокно и стеклоткань, древесные опилки, бумажную пульпу, асбест. Одним из лучших наполнителей оказалось древесное волокно, взятое в количестве от 3 до 11 %: оно повышало прочность льда в 2,6 раза.
Интересно, что лед, наполненный волокном, приобретает некоторые пластические свойства; его можно, например, обрабатывать режущим инструментом. Отсюда и название такого материала — пластолед (или ледопласт). Бумажная пульпа ненамного уступает волокнам, а источником ее может служить бумажная макулатура. Может быть, когда-нибудь мы будем собирать бумагу для ледяных строек?
ЧТО УЖЕ СДЕЛАНО
Лед можно упрочнять, но как из него строить? И построено ли уже что-нибудь значительное из армированного льда?
На последний вопрос честно ответим — нет, не построено; армированный лед еще не вышел из стен лабораторий. А вот что касается методов строительства, то по меньшей мере два из них прошли должную проверку. Первый заключается в том, что поштучно укладывают плиты армированного льда, в места стыка наливают воду и весь массив замораживают; швы получаются не менее прочными, чем наполненный лед.
Так устроена лабораторная установка для получения пены из льда. Сжатый воздух барботирует воду с добавками поверхностно-активных веществ. Образующаяся пена замораживается при отрицательных температурах.
По второму способу сначала укладывают твердый “скелет”, состоящий в основном из армирующей добавки, его заливают водой и, наконец, замораживают смесь.
Если армированный лед еще ждет выхода в практику, то другой материал, пенолед, этот выход, кажется, уже получил. Пенолед — это, собственно, замороженная пена. Причина, по которой взялись изучать пенолед, заключалась в том, что бетонные гидротехнические сооружения, которые возводят в районах с суровым климатом, надо как-то защитить от низких температур. Более дешевого теплоизолятора, чем лед, наверное, нет.
Один из способов, позволяющих приготовить ледяную пену — барботаж. В воду с пенообразующими добавками пропускают сжатый воздух, образуется пышная пена, которая после замораживания очень плохо проводит тепло — в 18 раз хуже, чем обычный лед.
Натурные исследования нового теплоизолятора проводили на вертикальных бетонных плитах Братской ГЭС. Барботажиой установкой служила несколько переоборудованная растворомешалка. Пенолед использовали и для утепления грунта. В обоих случаях теплозащита оказалсь достаточно эффективной.
А когда пенольдом защищали от мороза груит на карьере, где и зимой не прекращалась работа, то экономия — по сравнению с обычными способами защиты — составила около 50 тысяч рублей на гектар поверхности.
И теоретические разработки, и некоторый практический опыт убеждают иас в том, что возможности для применения льда и снега есть. Жаль только, что используются они пока недостаточно.
В докладе на I Всесоюзном координационном совещании по инженерной гляциологии (обратите внимание на новую дисциплину!) профессор К. Ф. Войтковский справедливо заметил, что лед и снег находят применение лишь там, где есть энтузиасты, убежденные в правоте своих идей. Однако на их пути немало препятствий, порою далеких от сути проблемы: трудно иайти проектную организацию, мало машин и механизмов, приспособленных для работы со снегом и льдом...
Не пытаясь пересказать содержание доклада (интересующихся отсылаю к трудам совещания), замечу только, что среди основных причин, препятствующих широкому строительству из льда и снега, были названы новизна проблемы и недостаточная популяризация уже иакопленного опыта.
Вот это, собственно, и побудило меня написать статью.
Н. Н. БАРАШКОВ