Химические противогололедные материалы для зимнего содержания автомобильных дорог и меры снижения их негативного влияния на экосистему
ART 96255
Авторы:
В.
А. Ганжа, М.
А. Ковалева
В.
А. Ганжа, М.
А. Ковалева Библиографическое описание статьи для цитирования:
Ганжа
В.
А.,
Ковалева
М.
А. Химические противогололедные материалы для зимнего содержания автомобильных дорог и меры снижения их негативного влияния на экосистему // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 15. – С.
1681–1685. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/96255.htm.
Аннотация. В статье приводятся основные результаты анализа основных недостатков использования и ограничений по применению химических противогололедных материалов (ПГМ), предписанных действующими нормативными документами в области зимнего содержания автодорог, и предлагается ряд мер, обеспечивающих снижение степени негативного воздействия этих ПГМ на окружающую среду и человека.
Ключевые слова:
окружающая среда, зимнее содержание дорог, химические реагенты, экологическая чистота
Текст статьи
Ганжа Владимир Александрович,кандидат технических наук,доцент кафедры «Топливообеспечение и горючесмазочные материалы» Института нефти и газа ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.vladimirganzha@yandex.ru
Ковалева Мария Александровна,кандидат химических наук, доцент кафедры «Топливообеспечение и горючесмазочные материалы» Института нефти и газа ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.lera0727@yandex.ru
Химические противогололедные материалыдля зимнего содержания автомобильных дороги меры снижения их негативного влияния на экосистему
Аннотация.В статье приводятся основные результаты анализа основных недостатков использования и ограничений по применению химических противогололедных материалов (ПГМ), предписанных действующими нормативными документами в области зимнего содержания автодорог, и предлагается ряд мер, обеспечивающих снижение степени негативного воздействия этих ПГМ на окружающую среду и человека.Ключевые слова:зимнее содержание дорог, химические реагенты,окружающая среда, экологическая чистота.
Общая протяженность сети автомобильных дорог в Российской Федерации (РФ) постоянно увеличивается. Это связано с интенсивным освоением месторожденийполезных ископаемых, в частности, в районах Севера, Сибири, Дальнего Востока, в Арктической зоне РФ, ростом городского жилищного строительства, восстановлением и реконструкцией сети имеющихся и строительством новых аэродромов региональной гражданской авиациии т.д.Увеличение протяженности автомобильных дорог различных категорий, а также расширение сети действующих аэропортов влечет за собой и увеличение объемов работ по содержанию этих объектов в пригодном для эксплуатации состоянии. Наиболее ответственным и сложным этапом сезонной эксплуатации дорог и аэродромов является их зимнее содержание(ЗС).При организации мероприятий ЗС, актуальной, является задача выбора способов, средств и методов, обеспечивающих нормативные значения эксплуатационных показателей покрытий (чистота, ровность, коэффициент сцепления) и оказывающих при этом минимальное негативное воздействиена окружающую среду и человека.При зимнем содержании автомобильных дорог дорожными эксплуатационными организациями проводятся работы по обеспечению бесперебойного и безопасного движения в зимнее время, включающие очистку дорог от снега, защиту дорог от снежных заносов и борьбу с зимней скользкостью. Результатом реализации мероприятий ЗС дорог является обеспечение их транспортноэксплуатационного состояния, удовлетворяющего требованиям документа [1].Для разрушения снега и льда на дорогах используются тепловые, фрикционные, химические и механические методы [2].Наиболее оперативнымии высокоэффективными являются химическиеметодыразрушения снега и льда,широко применяющиеся в практике зимнего содержания автомобильных дорог в различных странах [3].Они предусматривают использование определенных химических противогололедных материалов (ПГМ)для удаления или предотвращения образования скользкости на дорожном покрытии. Действующими нормативными документами в области зимнего содержания автомобильных дорог [4, 5] рекомендуется использование химических ПГМ, виды и нормы распределения которыхприведены в табл.1, 2.Таблица 1Химические реагенты, используемые для борьбы с зимней скользкостью
Наименование ПГМСоответствующий номер по ГОСТ, ТУ на ПГМРыхлый снег и накат, t, °ССтекловидный лед, t, °С248121620248Твердые, г/м2Хлориды
1. Технический хлористый натрий карьерныйТУ 2152067002095279510203050
45901602. ПГМ на основе хлористого натрияТУ 2152082002095279910153045
40801453. Биомаг (тв)ТУ 21520015356107502 (тв)153050607080801402404. ХКФ
1020405060704055110Карбамиды
5. МочевинаГОСТ 208175202560
50115
6. КАСТУ 2149001 401805297 20 25 60
50 115
Нитраты
6. АНС (НКМ)ТУ 6033497320255075
65130
7. НКММТУ2149051057616439810204065
4595200Жидкие, мл/м2Хлориды
8. ХКМТУ 214902613164401982040658095110
9. Биомаг (ж)ТУ 21520015356107502 (ж)20507090100115
10. Природные рассолы
3060100140
Ацетаты
11. Антиснег1ТУ 21490014505250800102030506080
12. НордиксТУ 2149002408743580051015253040
Таблица 2Рассолы и нормы их распределенияНаименование рассоловКонцентрация, %Нормы распределения жидких хлоридов при 1 мм осадков, л/м2при температуре воздуха,оС:Рыхлый снег или накат48121620Хлористонатриевый252015100,040,060,080,140,080,100,14
0,110,14
Хлористокальциевый353020100,030,040,060,120,050,070,10
0,070,090,14
0,080,100,16
0,090,11
Хлористомагниевый353020100,030,040,050,110,040,050,080,180,050,060,10
0,060,070,12
0,070,080,13
Получившие широкое применение высокоэффективные химические методы ЗС имеют ряд недостатков, особенностей и ограничений по использованию ПГМ.Недостатки химических методов следующие:необходимость приобретения и содержания специальных машин для распределения (нанесения) жидких или гранулированных ПГМ; необходимость строительства и содержания складских помещений для хранения ПГМ;большой сезонный расход ПГМи их высокая стоимость; вредное влияние ПГМна различные покрытияи окружающуюсреду;ПГМнаоснове хлоридов (калия, кальция) имеют острый запах, проникают в материал обрабатываемого покрытия на значительную глубину, что способствует ослаблению структуры материала покрытия.Информацияо высокой проникающей и разрушающей способности ПГМ на основе хлоридов, входящих в состав многих химических ПГМ, подтверждается следующими наблюдениями. Железобетонные ступени на входе одного из общежитий Сибирского федерального университета, обрабатывались ПГМ(рис. 1).
Рис. 1. Разрушение железобетонных ступенейпод воздействием ПГМ и пешеходной нагрузки
Обработке подвергались только два центральных пролета с наибольшей интенсивностью пешеходного движения. В результате регулярного воздействия ПГМ, произошло его проникновение глубоко в материал ступеней, о чем свидетельствует более темный, по сравнению с прочими, цвет обрабатывавшихся пролетов крыльца. Ступени как бы промочены реагентом. Следствием этого явилось ослабление прочностных связей бетона и значительное разрушение ступеней под ногами многочисленных пешеходов в течение всего лишь одного осеннезимнего сезона.Особенностиприменения химических ПГМ следующие:применение ПГМдля предотвращения гололедных образований целесообразно при температуре воздуха в диапазоне0÷ 6 °С.при удалении гололедных образований жидкие ПГМиспользуются только при толщине гололедной пленки не более 1 мм, а эффективность гранулированных ПГМпроявляется при толщине льда только до 20 мм.нельзя наносить ПГМна покрытие во время снегопада, так как приэтом происходит усиленное водообразование от растворения реагентом снежноледяных образований, ранее находившихся на покрытии, и одновременного таяния падающего снега. Обильный выход воды разжижает ПГМ, вследствие чего слабеет его концентрация и теряется эффективность. Образовавшееся избыточное количество воды будет впоследствии провоцировать еще более значительное льдообразование.Ограничения применения химических ПГМ следующие:запрещается обработка транспортных магистралей жидкими химическими ПГМпри движении по ним троллейбусов; не допускается образование свободных растворов расплавленного снега вследствие воздействия на него ПГМ; запрещается применение технической соли и жидкого хлористого кальция в качестве ПГМна тротуарах, посадочных площадках остановок городского пассажирского транспорта, в парках, скверах, дворах и прочих пешеходных и озелененных зонах;запрещается применять хлориды в водоохранных зонах рек и водоемов, а также у источников хозяйственного и питьевого водоснабжения.Наиболее перспективными способами снижения степени вредного воздействия химических ПГМ на окружающую среду и человека, по мнению авторов, являются следующие:назначение к использованию при ЗС дорожных покрытий современных химических ПГМ с более высокими (по сравнению с ПГМ, приведенными в табл. 1,2) экологическими характеристиками. Такое назначение должно основываться на результатах систематическогодетального анализа ПГМ, предлагаемых сегодня разными производителями в широком ассортименте;использование упомянутыхвыше ПГМ при ЗС дорожных покрытий не в чистом виде, а в смеси с фрикционными материалами;совершенствование конструкций рабочих органов уборочных машин с целью обеспечения такими рабочими органами высокоэффективное разрушение прочных снежноледяных отложений на дорожных покрытиях механическим способом.Сегодняна мировом рынкепредставлены и активно используются современные, не менее эффективные(чем представленные в табл. 1, 2), но экологически более безопасные ПГМ, например кальциевомагниевый ацетат(CMA, [CaMg2(CH3COO)2]6,торговая марка Cryotech, USA)[6]. Ацетатная основа данного ПГМ обеспечивает его улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с ПГМ на основе хлоридов:низкая коррозионная активность по отношению к металлам и цементобетону. Способность блокировать коррозионные процессы, вызванные ранее использованнными ПГМ на основе хлоридов;возможность использования в качестве эффективного средства предупреждения образования на дорожных покрытиях снежноледяных отложений. Данный ПГМ препятствует адгезии последних с обрабатываемым покрытием;при взаимодействии со снегом и льдом образует рыхлую подвижную массу, не поддающуюся уплотнению, что способствует снижению трудоемкости выполнения последующих уборочных операций;не образует текучих водных рассолов, и как следствие, не выносится за пределы обработанного покрытия, чем обеспечивается более низкий по сравнению с ПГМ на основе хлоридов расход данного реагента на единицу площади обрабатываемого покрытия(табл. 3);может использоваться как в чистом виде, так и в смеси с фрикционными ПГМ;имеет низкую токсичность и обладает способностью к биологическому разложению, следовательно, безопасен для окружающей среды.
Экологическая безопасность СМА обеспечивается его элементным составом(табл. 4).Наиболее представительными компонентами СМА являются углерод, водород и кислород, а доломитовая мука, включающая в себя кальций и магний, по сути, является удобрением.Специалистами отмечается повышение эффективности использования СМА под воздействием транспортной нагрузки и солнечной радиации.Таблица 3Фактический расход СМА при содержании отдельных объектов
Дорожная службаМесторасположение объектаРасход CMAСуточная интенсивность движения, авт./сут.фунт/миля*грамм/метрДорожный департамент шт. Мичиган (США)Мост Зильвауки3002445000Департамент общественных работ шт. Миннесота (США)Маршрут 253003020000Департамент транспорта шт. Калифорния (США)Мост Маммот3753012000НорвегияМост Меза375307000Японияг.Саппоро3753025000
* 1 фунт = 0,40951241 кг; 1 миля сухопутная = 1,609 км.
Таблица 4Элементный состав ПГМ СМА
СимволЭлементАтомная массаАтомыМассовая доляCaКальций40,07819,0479 %MgМагний24,3050210,9741 %CУглерод12,01071232,5381 %HВодород1,00794184,0959 %OКислород15,99941243,3439 %
Фрикционный метод, является более экологически чистым, чем химический (химикомеханический), но также имеет ряд недостатков:невозможность полной ликвидации скользкости, а только временное повышение сцепных качества покрытий;плохое закрепление материалов на поверхности покрытий и быстрое смещение их с проезжей части при движении автомобилей;необходимость использования для распределения фрикционных материалов большого количества единиц техники;необходимость организации дополнительных мероприятий для уборки этих материалов с дорожных покрытий в весенний период эксплуатации.Фрикционные материалы быстро сдуваются с проезжей части турбулентным потоком воздуха, накапливаются в придорожной полосе, что приводит к загрязнению и запыленности придорожной территории(рис. 2).
Рис. 2. Песчаный смерчнад городской дорогой
Большинства описанных выше недостатков, присущих химическим и фрикционным ПГМ в отдельности, лишены комбинированные химикофрикционные ПГМ.ВБелорусском национальном техническом университете был создан новый эффективный ПГМ на основе отсевов дробления доломита, обрабатываемых концентрированной уксусной кислотой[7]. При этом пылеватые частицы минеральной породы, содержащиесяв отсеве дробления, растворяются в концентрированной уксуснойкислоте, а получаемый раствор ацетатов кальция и магния смачивает поверхность и проникает в поры более крупных частиц.При сушке материала происходит кристаллизация указанныхсолей. Такой ПГМ при контакте со снежноледяными отложениямирасплавляется за счет солей на его поверхности и проникаетвглубь ледяной корки, обеспечивая длительное время повышенную шероховатость дорожного покрытия. Под действием колесабразивные твердые частицы минеральной породы интенсивноразрушают слой снега и льда, затем переносятся из освободившейся от зимней скользкости зоны наката на оставшиеся снежноледяные отложения, где за счет солей в порах частиц минеральнойпороды продолжается их плавление. Таким образом достигаетсядлительный противогололедный эффект за счет перемещения попроезжей части пропитанных солями частиц минеральной породы.Новый ПГМ получил название химикофрикционный антикоррозионный (ХФА).Он не требует применения дорогостоящих ингибиторов коррозии, так как ацетаты кальция и магния не оказывают коррозионного воздействия на железо.Испытания ХФАв лабораторных и производственных условиях дали следующие результаты:плавящая способность реагентов, входящих в состав ХФА, при минус 10 °Св 1,4 раза превышает данный показатель для технической соли.При этом обеспечивается требуемый коэффициент сцепления колес транспортных средств с покрытием(минимум 0,30,4 ед.), обработаннымХФА;скорость коррозии стали снижается в 30 раз при использовании ХФА взамен технической соли. Это обеспечивает уменьшение поступления ионов тяжелых металлов в окружающую среду от коррозии автомобильной стали и металлических элементов обустройства дорог;ХФА не вызывает значимой коррозии бетона, что позволяет использовать его на мостах и путепроводах, где использование ПГМ на основе хлоридов запрещено.
Широкое распространение получили механическийспособЗС дорожных покрытий,основанныйна разрушении снежноледяных отложений рабочими органами уборочных машин. Механический метод эффективно используетсядля удаления метелевых отложений, рыхлого свежевыпавшего снега или снега с ПГМ, предотвращающими его уплотнение.При этом используются плужные, плужнощеточные, шнекороторные, шнекофрезерные снегоочистители, автогрейдеры и другие машины.Однако рабочие органы этих машин конструктивно не приспособлены для разрушения прочных снежноледяных отложений(плотностью ρ = 0,60,9 г/см3, пределомпрочности на сжатие σ =2,52,8 МПа, толщинеслоя h≤100 мм), что ограничивает область применения этого способа, более экономичногои экологически чистого, чем химический и химико–фрикционный.В Сибирском федеральном университете в течение ряда лет ведутся работы по модернизации существующих и созданию новых рабочих органов машин, конструкцией которых обеспечивается высокоэффективное разрушение прочных снежноледяных отложений. Одним из технических решенийв этой области является модернизированный отвал автогрейдера, 3D–модель которого представлена на рис. 3.Такой отвал оснащается дисковыми резцами, размещенными с возможностью свободного вращения вокруг собственной оси и с определенным шагом на пластине, крепящейся выносными кронштейнами к отвалу.Рабочий орган устанавливается на очищаемое покрытие с углом захватаβ = 38°–43ºмежду продольной осью рабочего органа и предполагаемымнаправлением его движения иперемещается базовой машиной вэтом направлении.Режущие диски,врезаясь под острым углом резания в снежно ледяной накат, разрушают его. Продукты разрушения перемещаются к эластичному ножу, установленному на нижней кромке отвала, и с его помощью сдвигаются в сторону. Рабочие зоны режущих дисков взаимно перекрываются, что способствует улучшению качества очистки обрабатываемых поверхностей.
а
бРис. 3. Основной отвал автогрейдера: а –в стандартном исполнении; б –3D–модель модернизированного отвалаТаким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность процесса разрушения снежноледяного наката.Оставшиеся на покрытии после прохода машины снежноледяные отложения могут быть удалены с использованием химического способа ЗС, но при существенно меньшем расходе соответствующих ПГМ.Использование при зимнем содержаниидорожных покрытий современных экологически безопасных химических ПГМ, смесей этих ПГМ с фрикционными материалами при реализации химикофрикционного способа ЗС, а также создание высокоэффективных рабочих органов уборочных машин для механического разрушенияснежноледяных отложенийна дорожных покрытияхпозволятсущественно снизить степень негативного воздействия химически активных реагентов и абразивных материалов на дорожные покрытия, окружающую среду и человека.
Ссылки на источники1. ГОСТ Р 50597. Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения. –Введ. 01.07.94. –М. : Издво стандартов, 1994. –11 с.2. Куляшов, А.П. Зимнее содержание дорог /А.П. Куляшов, Ю.И. Молев, В.А. Шапкин. Нижегород. гос. техн. унт –Нижний Новгород, 2008. –353с.3. Васильев, А.П. Анализ современного зарубежного опыта зимнего содержания дорог и разработка предложений его использования в условиях России / А.П. Васильев, В.В. Ушаков. –М.: Минтранс России, 2003. –60 с.4. Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. Методика Министерства транспорта РФ. –Введ. 16.06.2003. –М., 2003. –(Отрасл. дор. метод.док.).5. Методические рекомендации по ремонту и содержанию автомобильных дорог общего пользования. –Взамен ВСН 24–88. –Введ. 17.03.2004. –М. : Издво стандартов, 2004. –103 с. –(Отрасл. дор. метод.док.).6. Розов, Ю.Н. Автомобильные дороги и мосты. Противогололедные материалы для борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах и городских улицах/Ю.Н. Розов, О.В. Френкель // Обзорная информация. –М.: ФГУП Информационный центр по автомобильным дорогам, 2006. − №4 –119 с.7. Бусел, А.В.Экологически безопасные противогололедные материалы/ А.В. Бусел, А.А. Куприянчик, Б.Б. Каримов// Наука и техника в дорожной отрасли. –2014. –№4. –Стр. 39–41.8. Ганжа, В.А. Разрушение снежноледяных образований механическим способом : монография/В. А. Ганжа. –Красноярск :Сиб. федер. унт, 2012. –192 с.
Ковалева Мария Александровна,кандидат химических наук, доцент кафедры «Топливообеспечение и горючесмазочные материалы» Института нефти и газа ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.lera0727@yandex.ru
Химические противогололедные материалыдля зимнего содержания автомобильных дороги меры снижения их негативного влияния на экосистему
Аннотация.В статье приводятся основные результаты анализа основных недостатков использования и ограничений по применению химических противогололедных материалов (ПГМ), предписанных действующими нормативными документами в области зимнего содержания автодорог, и предлагается ряд мер, обеспечивающих снижение степени негативного воздействия этих ПГМ на окружающую среду и человека.Ключевые слова:зимнее содержание дорог, химические реагенты,окружающая среда, экологическая чистота.
Общая протяженность сети автомобильных дорог в Российской Федерации (РФ) постоянно увеличивается. Это связано с интенсивным освоением месторожденийполезных ископаемых, в частности, в районах Севера, Сибири, Дальнего Востока, в Арктической зоне РФ, ростом городского жилищного строительства, восстановлением и реконструкцией сети имеющихся и строительством новых аэродромов региональной гражданской авиациии т.д.Увеличение протяженности автомобильных дорог различных категорий, а также расширение сети действующих аэропортов влечет за собой и увеличение объемов работ по содержанию этих объектов в пригодном для эксплуатации состоянии. Наиболее ответственным и сложным этапом сезонной эксплуатации дорог и аэродромов является их зимнее содержание(ЗС).При организации мероприятий ЗС, актуальной, является задача выбора способов, средств и методов, обеспечивающих нормативные значения эксплуатационных показателей покрытий (чистота, ровность, коэффициент сцепления) и оказывающих при этом минимальное негативное воздействиена окружающую среду и человека.При зимнем содержании автомобильных дорог дорожными эксплуатационными организациями проводятся работы по обеспечению бесперебойного и безопасного движения в зимнее время, включающие очистку дорог от снега, защиту дорог от снежных заносов и борьбу с зимней скользкостью. Результатом реализации мероприятий ЗС дорог является обеспечение их транспортноэксплуатационного состояния, удовлетворяющего требованиям документа [1].Для разрушения снега и льда на дорогах используются тепловые, фрикционные, химические и механические методы [2].Наиболее оперативнымии высокоэффективными являются химическиеметодыразрушения снега и льда,широко применяющиеся в практике зимнего содержания автомобильных дорог в различных странах [3].Они предусматривают использование определенных химических противогололедных материалов (ПГМ)для удаления или предотвращения образования скользкости на дорожном покрытии. Действующими нормативными документами в области зимнего содержания автомобильных дорог [4, 5] рекомендуется использование химических ПГМ, виды и нормы распределения которыхприведены в табл.1, 2.Таблица 1Химические реагенты, используемые для борьбы с зимней скользкостью
Наименование ПГМСоответствующий номер по ГОСТ, ТУ на ПГМРыхлый снег и накат, t, °ССтекловидный лед, t, °С248121620248Твердые, г/м2Хлориды
1. Технический хлористый натрий карьерныйТУ 2152067002095279510203050
45901602. ПГМ на основе хлористого натрияТУ 2152082002095279910153045
40801453. Биомаг (тв)ТУ 21520015356107502 (тв)153050607080801402404. ХКФ
1020405060704055110Карбамиды
5. МочевинаГОСТ 208175202560
50115
6. КАСТУ 2149001 401805297 20 25 60
50 115
Нитраты
6. АНС (НКМ)ТУ 6033497320255075
65130
7. НКММТУ2149051057616439810204065
4595200Жидкие, мл/м2Хлориды
8. ХКМТУ 214902613164401982040658095110
9. Биомаг (ж)ТУ 21520015356107502 (ж)20507090100115
10. Природные рассолы
3060100140
Ацетаты
11. Антиснег1ТУ 21490014505250800102030506080
12. НордиксТУ 2149002408743580051015253040
Таблица 2Рассолы и нормы их распределенияНаименование рассоловКонцентрация, %Нормы распределения жидких хлоридов при 1 мм осадков, л/м2при температуре воздуха,оС:Рыхлый снег или накат48121620Хлористонатриевый252015100,040,060,080,140,080,100,14
0,110,14
Хлористокальциевый353020100,030,040,060,120,050,070,10
0,070,090,14
0,080,100,16
0,090,11
Хлористомагниевый353020100,030,040,050,110,040,050,080,180,050,060,10
0,060,070,12
0,070,080,13
Получившие широкое применение высокоэффективные химические методы ЗС имеют ряд недостатков, особенностей и ограничений по использованию ПГМ.Недостатки химических методов следующие:необходимость приобретения и содержания специальных машин для распределения (нанесения) жидких или гранулированных ПГМ; необходимость строительства и содержания складских помещений для хранения ПГМ;большой сезонный расход ПГМи их высокая стоимость; вредное влияние ПГМна различные покрытияи окружающуюсреду;ПГМнаоснове хлоридов (калия, кальция) имеют острый запах, проникают в материал обрабатываемого покрытия на значительную глубину, что способствует ослаблению структуры материала покрытия.Информацияо высокой проникающей и разрушающей способности ПГМ на основе хлоридов, входящих в состав многих химических ПГМ, подтверждается следующими наблюдениями. Железобетонные ступени на входе одного из общежитий Сибирского федерального университета, обрабатывались ПГМ(рис. 1).
Рис. 1. Разрушение железобетонных ступенейпод воздействием ПГМ и пешеходной нагрузки
Обработке подвергались только два центральных пролета с наибольшей интенсивностью пешеходного движения. В результате регулярного воздействия ПГМ, произошло его проникновение глубоко в материал ступеней, о чем свидетельствует более темный, по сравнению с прочими, цвет обрабатывавшихся пролетов крыльца. Ступени как бы промочены реагентом. Следствием этого явилось ослабление прочностных связей бетона и значительное разрушение ступеней под ногами многочисленных пешеходов в течение всего лишь одного осеннезимнего сезона.Особенностиприменения химических ПГМ следующие:применение ПГМдля предотвращения гололедных образований целесообразно при температуре воздуха в диапазоне0÷ 6 °С.при удалении гололедных образований жидкие ПГМиспользуются только при толщине гололедной пленки не более 1 мм, а эффективность гранулированных ПГМпроявляется при толщине льда только до 20 мм.нельзя наносить ПГМна покрытие во время снегопада, так как приэтом происходит усиленное водообразование от растворения реагентом снежноледяных образований, ранее находившихся на покрытии, и одновременного таяния падающего снега. Обильный выход воды разжижает ПГМ, вследствие чего слабеет его концентрация и теряется эффективность. Образовавшееся избыточное количество воды будет впоследствии провоцировать еще более значительное льдообразование.Ограничения применения химических ПГМ следующие:запрещается обработка транспортных магистралей жидкими химическими ПГМпри движении по ним троллейбусов; не допускается образование свободных растворов расплавленного снега вследствие воздействия на него ПГМ; запрещается применение технической соли и жидкого хлористого кальция в качестве ПГМна тротуарах, посадочных площадках остановок городского пассажирского транспорта, в парках, скверах, дворах и прочих пешеходных и озелененных зонах;запрещается применять хлориды в водоохранных зонах рек и водоемов, а также у источников хозяйственного и питьевого водоснабжения.Наиболее перспективными способами снижения степени вредного воздействия химических ПГМ на окружающую среду и человека, по мнению авторов, являются следующие:назначение к использованию при ЗС дорожных покрытий современных химических ПГМ с более высокими (по сравнению с ПГМ, приведенными в табл. 1,2) экологическими характеристиками. Такое назначение должно основываться на результатах систематическогодетального анализа ПГМ, предлагаемых сегодня разными производителями в широком ассортименте;использование упомянутыхвыше ПГМ при ЗС дорожных покрытий не в чистом виде, а в смеси с фрикционными материалами;совершенствование конструкций рабочих органов уборочных машин с целью обеспечения такими рабочими органами высокоэффективное разрушение прочных снежноледяных отложений на дорожных покрытиях механическим способом.Сегодняна мировом рынкепредставлены и активно используются современные, не менее эффективные(чем представленные в табл. 1, 2), но экологически более безопасные ПГМ, например кальциевомагниевый ацетат(CMA, [CaMg2(CH3COO)2]6,торговая марка Cryotech, USA)[6]. Ацетатная основа данного ПГМ обеспечивает его улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с ПГМ на основе хлоридов:низкая коррозионная активность по отношению к металлам и цементобетону. Способность блокировать коррозионные процессы, вызванные ранее использованнными ПГМ на основе хлоридов;возможность использования в качестве эффективного средства предупреждения образования на дорожных покрытиях снежноледяных отложений. Данный ПГМ препятствует адгезии последних с обрабатываемым покрытием;при взаимодействии со снегом и льдом образует рыхлую подвижную массу, не поддающуюся уплотнению, что способствует снижению трудоемкости выполнения последующих уборочных операций;не образует текучих водных рассолов, и как следствие, не выносится за пределы обработанного покрытия, чем обеспечивается более низкий по сравнению с ПГМ на основе хлоридов расход данного реагента на единицу площади обрабатываемого покрытия(табл. 3);может использоваться как в чистом виде, так и в смеси с фрикционными ПГМ;имеет низкую токсичность и обладает способностью к биологическому разложению, следовательно, безопасен для окружающей среды.
Экологическая безопасность СМА обеспечивается его элементным составом(табл. 4).Наиболее представительными компонентами СМА являются углерод, водород и кислород, а доломитовая мука, включающая в себя кальций и магний, по сути, является удобрением.Специалистами отмечается повышение эффективности использования СМА под воздействием транспортной нагрузки и солнечной радиации.Таблица 3Фактический расход СМА при содержании отдельных объектов
Дорожная службаМесторасположение объектаРасход CMAСуточная интенсивность движения, авт./сут.фунт/миля*грамм/метрДорожный департамент шт. Мичиган (США)Мост Зильвауки3002445000Департамент общественных работ шт. Миннесота (США)Маршрут 253003020000Департамент транспорта шт. Калифорния (США)Мост Маммот3753012000НорвегияМост Меза375307000Японияг.Саппоро3753025000
* 1 фунт = 0,40951241 кг; 1 миля сухопутная = 1,609 км.
Таблица 4Элементный состав ПГМ СМА
СимволЭлементАтомная массаАтомыМассовая доляCaКальций40,07819,0479 %MgМагний24,3050210,9741 %CУглерод12,01071232,5381 %HВодород1,00794184,0959 %OКислород15,99941243,3439 %
Фрикционный метод, является более экологически чистым, чем химический (химикомеханический), но также имеет ряд недостатков:невозможность полной ликвидации скользкости, а только временное повышение сцепных качества покрытий;плохое закрепление материалов на поверхности покрытий и быстрое смещение их с проезжей части при движении автомобилей;необходимость использования для распределения фрикционных материалов большого количества единиц техники;необходимость организации дополнительных мероприятий для уборки этих материалов с дорожных покрытий в весенний период эксплуатации.Фрикционные материалы быстро сдуваются с проезжей части турбулентным потоком воздуха, накапливаются в придорожной полосе, что приводит к загрязнению и запыленности придорожной территории(рис. 2).
Рис. 2. Песчаный смерчнад городской дорогой
Большинства описанных выше недостатков, присущих химическим и фрикционным ПГМ в отдельности, лишены комбинированные химикофрикционные ПГМ.ВБелорусском национальном техническом университете был создан новый эффективный ПГМ на основе отсевов дробления доломита, обрабатываемых концентрированной уксусной кислотой[7]. При этом пылеватые частицы минеральной породы, содержащиесяв отсеве дробления, растворяются в концентрированной уксуснойкислоте, а получаемый раствор ацетатов кальция и магния смачивает поверхность и проникает в поры более крупных частиц.При сушке материала происходит кристаллизация указанныхсолей. Такой ПГМ при контакте со снежноледяными отложениямирасплавляется за счет солей на его поверхности и проникаетвглубь ледяной корки, обеспечивая длительное время повышенную шероховатость дорожного покрытия. Под действием колесабразивные твердые частицы минеральной породы интенсивноразрушают слой снега и льда, затем переносятся из освободившейся от зимней скользкости зоны наката на оставшиеся снежноледяные отложения, где за счет солей в порах частиц минеральнойпороды продолжается их плавление. Таким образом достигаетсядлительный противогололедный эффект за счет перемещения попроезжей части пропитанных солями частиц минеральной породы.Новый ПГМ получил название химикофрикционный антикоррозионный (ХФА).Он не требует применения дорогостоящих ингибиторов коррозии, так как ацетаты кальция и магния не оказывают коррозионного воздействия на железо.Испытания ХФАв лабораторных и производственных условиях дали следующие результаты:плавящая способность реагентов, входящих в состав ХФА, при минус 10 °Св 1,4 раза превышает данный показатель для технической соли.При этом обеспечивается требуемый коэффициент сцепления колес транспортных средств с покрытием(минимум 0,30,4 ед.), обработаннымХФА;скорость коррозии стали снижается в 30 раз при использовании ХФА взамен технической соли. Это обеспечивает уменьшение поступления ионов тяжелых металлов в окружающую среду от коррозии автомобильной стали и металлических элементов обустройства дорог;ХФА не вызывает значимой коррозии бетона, что позволяет использовать его на мостах и путепроводах, где использование ПГМ на основе хлоридов запрещено.
Широкое распространение получили механическийспособЗС дорожных покрытий,основанныйна разрушении снежноледяных отложений рабочими органами уборочных машин. Механический метод эффективно используетсядля удаления метелевых отложений, рыхлого свежевыпавшего снега или снега с ПГМ, предотвращающими его уплотнение.При этом используются плужные, плужнощеточные, шнекороторные, шнекофрезерные снегоочистители, автогрейдеры и другие машины.Однако рабочие органы этих машин конструктивно не приспособлены для разрушения прочных снежноледяных отложений(плотностью ρ = 0,60,9 г/см3, пределомпрочности на сжатие σ =2,52,8 МПа, толщинеслоя h≤100 мм), что ограничивает область применения этого способа, более экономичногои экологически чистого, чем химический и химико–фрикционный.В Сибирском федеральном университете в течение ряда лет ведутся работы по модернизации существующих и созданию новых рабочих органов машин, конструкцией которых обеспечивается высокоэффективное разрушение прочных снежноледяных отложений. Одним из технических решенийв этой области является модернизированный отвал автогрейдера, 3D–модель которого представлена на рис. 3.Такой отвал оснащается дисковыми резцами, размещенными с возможностью свободного вращения вокруг собственной оси и с определенным шагом на пластине, крепящейся выносными кронштейнами к отвалу.Рабочий орган устанавливается на очищаемое покрытие с углом захватаβ = 38°–43ºмежду продольной осью рабочего органа и предполагаемымнаправлением его движения иперемещается базовой машиной вэтом направлении.Режущие диски,врезаясь под острым углом резания в снежно ледяной накат, разрушают его. Продукты разрушения перемещаются к эластичному ножу, установленному на нижней кромке отвала, и с его помощью сдвигаются в сторону. Рабочие зоны режущих дисков взаимно перекрываются, что способствует улучшению качества очистки обрабатываемых поверхностей.
а
бРис. 3. Основной отвал автогрейдера: а –в стандартном исполнении; б –3D–модель модернизированного отвалаТаким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность процесса разрушения снежноледяного наката.Оставшиеся на покрытии после прохода машины снежноледяные отложения могут быть удалены с использованием химического способа ЗС, но при существенно меньшем расходе соответствующих ПГМ.Использование при зимнем содержаниидорожных покрытий современных экологически безопасных химических ПГМ, смесей этих ПГМ с фрикционными материалами при реализации химикофрикционного способа ЗС, а также создание высокоэффективных рабочих органов уборочных машин для механического разрушенияснежноледяных отложенийна дорожных покрытияхпозволятсущественно снизить степень негативного воздействия химически активных реагентов и абразивных материалов на дорожные покрытия, окружающую среду и человека.
Ссылки на источники1. ГОСТ Р 50597. Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения. –Введ. 01.07.94. –М. : Издво стандартов, 1994. –11 с.2. Куляшов, А.П. Зимнее содержание дорог /А.П. Куляшов, Ю.И. Молев, В.А. Шапкин. Нижегород. гос. техн. унт –Нижний Новгород, 2008. –353с.3. Васильев, А.П. Анализ современного зарубежного опыта зимнего содержания дорог и разработка предложений его использования в условиях России / А.П. Васильев, В.В. Ушаков. –М.: Минтранс России, 2003. –60 с.4. Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. Методика Министерства транспорта РФ. –Введ. 16.06.2003. –М., 2003. –(Отрасл. дор. метод.док.).5. Методические рекомендации по ремонту и содержанию автомобильных дорог общего пользования. –Взамен ВСН 24–88. –Введ. 17.03.2004. –М. : Издво стандартов, 2004. –103 с. –(Отрасл. дор. метод.док.).6. Розов, Ю.Н. Автомобильные дороги и мосты. Противогололедные материалы для борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах и городских улицах/Ю.Н. Розов, О.В. Френкель // Обзорная информация. –М.: ФГУП Информационный центр по автомобильным дорогам, 2006. − №4 –119 с.7. Бусел, А.В.Экологически безопасные противогололедные материалы/ А.В. Бусел, А.А. Куприянчик, Б.Б. Каримов// Наука и техника в дорожной отрасли. –2014. –№4. –Стр. 39–41.8. Ганжа, В.А. Разрушение снежноледяных образований механическим способом : монография/В. А. Ганжа. –Красноярск :Сиб. федер. унт, 2012. –192 с.
