ICE-BASED CONSTRUCTION

Строительство морских объектов, таких как причалы, представляет собой важный аспект инфраструктурного развития Арктики; строительство в холодном климате, в арктических и антарктических регионах, сталкивается с уникальными вызовами, которые требуют инновационных подходов к материалам и методам строительства. Один из таких подходов – использование льда как строительного материала. Использование льда сопряжено с рядом трудностей и вызовов

Использование льда в строительстве морских объектов имеет древние корни и практиковалось на протяжении веков, особенно в культурах, где лед и снег были доступными ресурсами. Однако с развитием современных технологий и научных знаний, этот метод строительства обретает новую актуальность и применение, особенно в контексте изменяющегося климата и растущего интереса к исследованиям арктических и антарктических регионов.

В статье рассматриваются различные аспекты использования льда в строительстве морских объектов, таких как причалы (рисунок 1); проанализированы условия, при которых лед может быть использован в качестве строительного материала, а также преимущества и ограничения; рассмотрены различные методы создания ледяных конструкций, а также опасности и риски, связанные с этими сооружениями; приведены типы морских сооружений, созданных из льда.

Рисунок 1 - Пример причала, обмерзшего слоем льда

DOI:10.18454/mca.2024.44.2.1

При анализе использованы разнообразные источники, включая научные исследования, статьи, технические документы и публикации, связанные с использованием льда в строительстве и инфраструктуре морских объектов

[7]

,

[9]

,

[10]

,

[11]

,

[12]

.

В настоящее время, когда изменение климата оказывает влияние на экосистемы и ресурсы морских регионов, использование льда как строительного материала может представлять новые возможности для устойчивого развития. Тем не менее необходимо учитывать как потенциальные преимущества, так и риски, связанные с этим подходом. Данный материал имеет характер обзора, предназначен для систематизации знания и понимания потенциала льда в строительстве морских объектов.

Строительство из льда имеет определенные ограничения из-за климатических условий и физических характеристик льда. Однако в некоторых областях, где зимние температуры поддерживаются постоянно, отрицательными это возможно:

Арктика и Антарктика, характеризующиеся низкими температурами и наличием обширных ледяных покровов, предоставляют уникальную возможность для строительства из льда. Например, исследовательские станции в Антарктике могут использовать лед для создания временных жилых помещений.

В некоторых странах, таких как Норвегия, Швеция и Финляндия, зимние температуры и снегопады могут обеспечивать подходящие условия для создания временных ледяных сооружений. В некоторых регионах Канады и Аляски можно наблюдать долгие зимние периоды с низкими температурами, что способствует созданию временных ледяных архитектурных элементов. В некоторых северных частях России и Европы возможно использовать ледяные сооружения.

В некоторых горных регионах с низкими температурами и высокими альпийскими озерами, такими как в Альпах или Гималаях, можно использовать лед и снег как строительный материал.

Помимо географической области с низкой температурой, для строительства изо льда желательно выполнение еще ряда условий:

Чрезмерные колебания температур могут привести к разрушению льда, поэтому желательно, чтобы температурные перепады были умеренными. Резкие изменения температуры могут вызвать трещины и деформации в ледяных структурах.

Лед должен быть достаточно стабильным и плотным, чтобы обеспечить надежную базу для строительства. Тонкий и хрупкий лед может быть менее подходящим для строительства

Сильные ветры могут существенно повлиять на стабильность ледяных конструкций, особенно если лед подвержен перемещению или образованию снежных накоплений.

Источник воды, такой как озеро или река, может быть необходим для добычи льда. Доступ к достаточному количеству качественной ледяной массы играет важную роль в процессе строительства.

Безопасность работников и посетителей является приоритетом при строительстве из льда. Необходимо предпринимать меры для предотвращения несчастных случаев, связанных с ледяными конструкциями

Для создания ледяных структур могут потребоваться специализированные инструменты и оборудование. Например, для резки и формирования льда могут использоваться пилы и другие специальные инструменты.

Строительство из льда может быть предпочтительным в определенных случаях, когда другие материалы не являются наилучшим выбором из-за особых условий или потребностей. Например, для сезонных мероприятий, для мероприятий, которые продолжаются только в течение определенного времени, ледяные сооружения могут быть быстро созданы и затем растворены, что упрощает организацию и не требует долгосрочных инвестиций в инфраструктуру. В некоторых случаях лед может быть более экологически дружелюбным материалом по сравнению с традиционными строительными материалами. Строительство из льда может потребовать меньше энергии и ресурсов для производства, а также не оставит значительных следов после разрушения. Лед позволяет создавать уникальные формы и текстуры, которые могут быть трудно достичь с использованием других материалов

Морские и гидротехнические сооружения, возводимые из льда, часто используются в арктических и антарктических регионах, где зимние температуры позволяют сохранять стабильность ледяных конструкций. Несмотря на ограниченность таких сооружений, известны практические реализации следующих типов сооружений:

Ледовые причалы. В арктических регионах ледовые причалы могут использоваться для временных стоянок судов и обеспечения посадки и высадки пассажиров и грузов. Они могут быть созданы, вырезая площадку из замороженного морского льда.

Ледовые платформы для исследований. Исследовательские станции в Антарктике и Арктике могут использовать ледяные платформы для размещения оборудования и проведения научных исследований. Эти платформы могут включать в себя жилые помещения, лаборатории и устройства для изучения морской экосистемы.

Ледовые платформы для добычи ресурсов. В некоторых регионах морской лед можно использовать для временного размещения оборудования для добычи полезных ископаемых.

Ледовые площадки для производства работ. Временные ледовые площадки могут использоваться для гидротехнических работ, таких как ремонт и обслуживание морских объектов в условиях низких температур.

Искусственные ледовые острова. В определенных случаях можно создавать искусственные ледовые острова, которые служат как временные платформы для различных целей, включая научные исследования, базирование оборудования и прочее (рисунок 2).

Для строительства из льда предпочтительно использовать чистый и плотный лед (рисунок 3), так как он обеспечивает лучшую стабильность и прочность конструкции. Однако качество льда может различаться в зависимости от источника его добычи.

Рисунок 2 - Пример блоков льда льда для строительства методом укладки

DOI:10.18454/mca.2024.44.2.2

Морской лед, образующийся на поверхности океанов и морей, обычно менее плотный, чем пресноводный лед, но морской лед может быть менее подвержен образованию трещин и деформациям из-за давления.

Лед, образующийся на пресноводных водоемах, таких как озера или реки, может также использоваться для строительства. Однако пресноводный лед может быть более хрупким, что требует более осторожного обращения.

В некоторых случаях воду можно использовать для создания ледяных блоков или замораживания тонких слоев воды поверх льда. Например, при брызговом намораживании.

Снежный лед образуется путем компактирования снега. Он может использоваться для создания временных и менее крепких конструкций.

Для создания льда, который будет использован в строительстве, требуется процесс подготовки и формирования ледяных блоков или подготовка установок для наливки или «разбрызга» воды. Предварительно необходимо выбрать источник льда, который будет использован. Это может быть морская вода, пресноводное озеро или другой доступный источник. Необходимо подготовить площадку, на которой будет производиться замораживание льда. Это может быть естественное водоем или искусственная площадка с подготовленным фундаментом. Если используется пресноводный лед, для декоративных целей, то вода может быть предварительно очищена от примесей и загрязнений. Это помогает создать более чистый лед. При намораживании льда, после того как первый слой заморожен, можно начать постепенно добавлять дополнительные слои воды и допускать их замораживание. Если замораживание льда происходило не в месте предполагаемого использования, то готовые ледяные элементы могут быть транспортированы на место строительства. В зависимости от условий использования ледяных сооружений, может потребоваться их обслуживание и поддержание для сохранения прочности и стабильности.

Строительство из льда представляет собой инженерный процесс. Возможно нанесение слоев воды на поверхность, где она быстро замораживается, создавая новые слои льда. Смешивание снега с водой и замораживание этой смеси может помочь создавать более устойчивые и плотные ледяные конструкции. В некоторых случаях для увеличения прочности ледяных конструкций могут быть использованы внутренние арматурные элементы, такие как стальные стержни или другие материалы. В некоторых случаях ледяные конструкции могут быть созданы путем создания контролируемых трещин в льду и замораживания их снова для усиления структуры. Ледяную крошку можно использовать в качестве «клея» для склеивания ледяных блоков. Гелямификация включает добавление воды к раздробленному льду для создания ледяной пасты, которая затем замораживается и твердеет.

Использование льда как строительного материала может сопровождаться определенными рисками и опасностями, особенно если не учтены факторы безопасности и особенности льда.

Ледяные сооружения могут быть подвержены неустойчивости и деформациям под воздействием изменчивых климатических условий, ветров и других факторов. Внезапные изменения температуры могут привести к разрушению и обрушению ледяных конструкций.

Ледяные сооружения могут разрушаться из-за образования трещин, особенно при быстрых изменениях температуры или механическом воздействии. Трещины могут ослабить конструкцию и сделать ее менее стабильной.

Строительство и использование ледяных сооружений требует особого внимания к безопасности. Недостаточная прочность конструкции или неправильное укрепление льда может представлять опасность для жизни и здоровья людей, находящихся внутри или рядом с ледяными сооружениями.

Временные ледяные сооружения могут «потечь» и даже разрушиться в результате изменения температуры или погодных условий. Это может ограничивать долгосрочную устойчивость и функциональность таких конструкций.

Если в ледяных сооружениях используется электрооборудование или искусственное освещение, существует риск электрошока из-за влажности и проводимости льда.

Если вода для создания льда содержит примеси или загрязнения, это может негативно повлиять на качество и прочность ледяных сооружений.

Использование льда для восстановления причалов, особенно в условиях холодного климата, может быть интересным и эффективным подходом. Однако необходимо тщательно спланировать и реализовать процесс восстановления, чтобы обеспечить безопасность, устойчивость и функциональность ледяных конструкций. Для укрепления ледяных конструкций может потребоваться создание плоской и устойчивой основы. Это может быть сделано путем уплотнения снега или создания ледяной платформы. В зависимости от условий и нагрузок, на которые будет подвергаться восстановленный причал, может потребоваться создание дополнительных поддерживающих элементов. Это может включать в себя стержни, палубу или другие материалы. Важно учесть безопасность работников и пользователей причала. Необходимо обозначить зоны опасные зоны, и предупредить о возможных рисках, а также убедиться, что ледяные конструкции достаточно прочны и устойчивы. Принимайте во внимание возможные изменения погоды, температуры и другие факторы окружающей среды, которые могут повлиять на стабильность и долговечность ледяных конструкций. Ледяные конструкции требуют регулярного обслуживания и мониторинга, чтобы обеспечить их функциональность и безопасность на протяжении всего срока использования. Важно тщательно планировать каждый этап восстановления причала из льда, учитывая особенности климата, состояния льда и требования к безопасности.

Использование льда в строительстве и реконструкции временных морских объектов, таких как причалы, представляет собой интересную практику в условиях арктических и антарктических регионов. Однако, как и с любым не стандартным подходом, с ним связаны определенные вызовы, риски и возможности. В данном обзоре были рассмотрены различные аспекты использования льда в строительстве морских объектов, и были получены выводы:

Ледяные сооружения могут предоставлять уникальные преимущества, включая возможность создания временных конструкций для научных исследований, добычи ресурсов, развлекательных мероприятий и других целей. Они также могут служить временными платформами для обеспечения доступности в условиях холодного климата. Кроме того, использование льда в строительстве может способствовать экологической устойчивости, так как этот материал является естественным и перерабатываемым.

Несмотря на преимущества, использование льда в строительстве также сопровождается рядом рисков и вызовов. Особенно важно учитывать его подверженность деформациям, трещинам и изменениям воздействия окружающей среды. Неправильное планирование и недостаточные знания о характеристиках льда могут привести к обрушению сооружений и угрожать безопасности людей. Эффективное управление рисками, а также строгое соблюдение инженерных и безопасных стандартов, являются ключевыми аспектами успешного использования льда в строительстве.

Выбор использования льда как строительного материала должен тщательно анализироваться с учетом конкретных условий, целей и доступных ресурсов. В некоторых случаях использование льда может быть более целесообразным и экономически эффективным, чем традиционные материалы, особенно в регионах с ограниченным доступом к другим ресурсам.

Использование льда в строительстве морских объектов представляет собой сложную и многогранную тему, которая требует глубокого понимания характеристик льда, инженерных навыков и тщательного планирования. Этот подход может принести существенные преимущества в условиях холодного климата, но требует осторожности и внимания к деталям. Дальнейшие исследования и инновации в области использования льда в строительстве морских объектов могут привести к разработке более надежных и эффективных методов, позволяющих максимально использовать потенциал этого уникального строительного материала.