СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ БОРЬБЫ СО СКОЛЬЗКОСТЬЮ

EFFICIENCY OF APPLICATION OF ANTI-ICE MATERIALS AT THE WINTER CONTENT OF AUTOMOBILE ROADS

Idris Fazylov

Undergraduate, Kazan State University of Architecture and Civil Engineering,

Kazan, Russia

Muhammat K. Gatiyatullin

doctor of pedagogical sciences, professor of the department of road-building machines, Kazan State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Зима – сложный период для организации эксплуатации автомобильных дорог и характеризуется ростом аварийности по дорожным условиям и в основном из-за скользкости покрытия. Сегодня существует большая гамма антигололедных материалов, которые отличаются по скорости реакции, объему растапливаемого льда, экологической безопасности и, что не мало важно, по стоимости. Нередко перед дорожниками встает проблема при выборе противогололедного материала. В статье рассмотрен сравнительный анализ эффективности применения в качестве антигололедного материала солей хлоридов для ликвидации зимней скользкости при содержании автомобильных дорог общего пользования.

ABSTRACT

Winter is the difficult period for the organization of the operation of roads and is characterized by an increase in accident rate due to slippery surfaces. Today there is a large gamut of anti-icing materials that differ in reaction speed, volume of ice removed and, not least, cost. The article discusses a comparative analysis of the use of chloride salts as a deicing material for the maintenance of public roads for the elimination of winter slippery.

Ключевые слова: Автомобильный транспорт, автомобильные дороги, содержание автомобильных дорог, противогололедные материалы, зимняя скользкость.

Keywords: Road transport, roads, road maintenance, deicing materials, winter slippage.

Зимний период в Российской Федерации довольно сложный для функционирования автомобильного транспорта. Много проблем для водителей и работников дорожной отрасли. Ледяной дождь, лед и снег оказывают негативное влияние на дорожное покрытие и, по существующим нормативам, последствия этих явлений должны быть устранены в конкретные сроки. Повышаются требования к экологической безопасности применяемых противогололедных химикатов, поэтому современные исследования их качества связаны именно с экологией. Современный рынок противогололедных материлов представлен значительным их количеством и с разными  свойствами действия на гололед. Несмотря на это ученые и производственники ежегодно изобретают альтернативные к применяемым традиционным противогололедным материалам реагенты, которые максимизируют преимущества материала как инструмент борьбы со скользкостью при минимизации количества распределенного материала на единичную площадь покрытия дороги. Тем не менее, противогололедный материал на основе хлоридов не теряет свою нишу в борьбе со скользкостью и широко применяется для предотвращения гололеда.

Классификация противогололедных материалов устанавливается в зависимости:

а) от агрегатного состояния на:

•  жидкие;
• твердые.

б) от компонентного состава:

•  фрикционные;
•  химические;
•  комбинированные. [1]

К химическим противоголедным материалам относится:

•  твердые сыпучие материалы: кристаллические, гранулированные;
•  жидкие растворы или рассолы химических реагентов.

К фрикционным относится:

• песок;
• песчано-гравийная смесь;
• шлак;
• мелкий щебень;
• золы уноса.

К комбинированным относится:

• смесь фрикционных и химических материалов. [2]

По заказу подрядчика были изучены в лабораторных условиях свойства трех (NaCl, (MgCl₂, CaCl₂) солей хлоридов на эффективность работы в качестве материала для плавления льда.

Российские дорожники в основном пользуется в качестве противогололедного материала солью натрий хлор  (NaCl) в твердом виде, а так же хлорида магния (MgCl₂), хлорида кальция (CaCl₂) в чистом виде или в смеси с NaCl. Отметим, что рассол хлорида натрия оказывает значительный эффект при воздействии на снег при температуре выше минус 6°: твердость снега падает до 60%, превращаясь в «снежную кашицу» и значительно улучшается сцепление между колесом автомобиля и покрытием дороги, ускоряется процесс таяния льда.

Разрушению снежно-ледяных отложений и удаления с дорожного покрытия влияют три основные группы факторов: природные, химические и искусственные.

Природные факторы, к которым относятся климат и погодные условия: температура окружающей среды, интенсивность солнечного излучения, облачность, влажность и скорость ветра. Температура поверхности дороги, которая напрямую зависит от ранее упомянутых факторов, также оказывает существенное влияние.

Химические факторы представлены самими материалами. Эффективность этой группы зависит от типа применяемого разрушителя льда (физические и химические свойства материала), количества реагента, распространяющегося на обледенившуюся поверхность, и продолжительности действия плавления.

Искусственные факторы, связанные с удалением снега и льда с дороги, представлены такими показателями как, интенсивность движения и состав транспортных потоков, способов механического удаления льда с дороги с использованием специального оборудования для очистки снежно-ледяных отложений (снегоуборочная машина).

Обычно противогололедные материалы работают идентично друг другу: сначала они понижают температуру замерзания льда или снежного наката, затем, разрушая превращают их в жидкость или «кашицу».

Процесс таяния льда, когда на него влияет противогололедный материал, можно разделить на четыре периода (рисунок 1а).

Первая зона на рисунке - это начальный процесс реакции льда и хлорида, когда противогололедный материал после распределения на поверхность вступает в реакцию с обледенением и начинается его плавление. Появляются первые капли рассола, и лед из твердого состояния, разрушаясь, начинает превращаться в жидкость. В этот отрезок времени таяния обычно наблюдается снижение температуры поверхности льда (рисунок 1б). Снижение температуры поверхности льда, при действии противогололедного материала, зависит от температуры окружающей среды и химических свойств реагента (особенно NaCl: при его таянии  происходит индотермическая реакция с поглощением тепла). CaCl₂ вступает в «экзотермическую реакцию» со льдом - с выделением тепла при растворении. Температура получающегося в результате раствора будет снижаться до тех пор, пока не будет достигнут баланс системы (рисунок 1 б, точка 2): число молекул расплавленного льда (воды) становится равным количеству молекул тающего льда.

Вторая зона - это процесс с низкой температурой плавления, когда таяние льда происходит медленно или не происходит вообще. Это явление будет продолжаться до тех пор, пока температура льда не достигнет температуры окружающей среды (рисунок 1, б, точка 3).

Третья зона - быстрый процесс плавления. Интенсивность таяния льда увеличивается из-за увеличенного выделения молекул растаявшего льда (воды). Как правило, интенсивность плавления будет увеличиваться до тех пор, пока противогололедный материал не разрушит весь слой льда.

Четвертая зона - лед прекращает таяние из-за истощения ресурсов плавления противогололедного материала. Отметим, что требуется распределение конкретного количества реагента, чтобы расплавить определенное количество льда при определенной температуре. Когда на покрытое льдом покрытие наносится недостаточное количество соли, то скользкость не ликвидируется. При избыточном количестве распределенного противогололедного материала на квадратный метр, лед полностью исчезает, но перерасход материала приводит к экономическим потерям. Таким образом, определяющими факторами борьбы с зимней скользкостью являются скорость, необходимое количество материала и продолжительность плавления [3].

Рисунок 1. Процесс таяния льда

a - зоны таяния льда; b– изменение температуры поверхности льда

Цель лабораторных исследований состояла в определении эффективности изучаемых противогололедных материалов. Лабораторные исследования проводились для определения процента потери массы при применении противогололедного материала. Образцы льда готовили одинаковой толщины (3 мм) и площади поверхности (887 см2). Ровное количество воды (около 266 г) наливали в однородные лотки из нержавеющей стали 30 × 30 см. с предварительным взвешиванием массы сухих лотков. Воду замораживали и хранили в климатической камере до тех пор, пока температура поверхности льда не достигла указанной температуры (от –20 до –3 ° С).  При образовании слоя льда лотки взвешивали с точностью до 0,1 г и рассчитывали массу льда. Лотки со льдом держали в климатической камере до достижения на поверхности льда температуры, необходимой для испытания. Эффективность  оценивалась при температурах: –20°, –15°, –9°, –6° и –3° C. Продолжительность взаимодействия солей со льдом по времени составила: 4, 10, 20, 30, 60 и 120 мин, образцы в этотих промежутках времени оставались в климатической камере. По истечению испытательного времени лотки вынимались из камеры и взвешивались с точностью до 0,1 г. Растопленный лед и раствор соли выливали (выдерживали 10 с для полного стекания), оставшиеся лед с противогололедным материалом взвешивали. Образцы в климатической камере во время эксперимента находились в одинаковых условиях: относительная влажность воздуха была достаточно близка к окружающей среде при заданной температуре. После выполнения каждого теста процентное изменение массы (потери массы льда) растаявшего льда и уменьшенной массы льда рассчитывали по формуле:

                                                          (1)

где: Mв - масса льда перед нанесением реагента [г];

Mа– масса льда после нанесения реагента [г].

Было проведено три испытания для каждого реагента при разных температурах и различной продолжительности действия плавления.[5]

Таблица 1

Интенсивность таяния льда

По результатам испытаний можно сделать следующий вывод:

• при низких температурах (–20 и –15 ° C) хлорид магния MgCl₂ и хлорид кальция CaCl₂ соответственно расплавляют наибольший процент массы льда, следовательно, можно считать эффективными.
• хлорид натрия NaCl наиболее эффективно расплавляет лед до –15 ° C, а при более низкой температуре данный противогололедный материал не является эффективным.[4]

При выборе солей хлорида в качестве противогололедных материалов, решающее значение имеет стоимость материалов. На рынке противогололедных материалов стоимость реагента за тонну варьируется в пределах:

1. MgCl₂   - 27 000 – 29 000 рублей;
2. CaCl₂ – 29 000 – 31 000 рублей;
3. NaCl – 4 000 – 5 000 рублей.

Поэтому подрядчику было предложено с учетом стоимости и объемов, а так же экологии отдать предпочтение NaCl с обязательным смешением его сCaCl₂ или MgCl₂ для повышения свойств работы как противогололедного материала и недопущения слеживаемости.

Лабораторные испытания на таяние льда при разных температурах и времени взаимодействия с солью является достаточно надежным способом для сравнения эффективности работы различных противогололедных материалов. Существуют недостатки метода: не учитываются важные условия окружающей среды: температура дорожного покрытия, скорость ветра и интенсивность движения. Для более точного определения возможностей таяния льда и снега необходимо провести полевые испытания в реальных условиях.

Список литературы:

1. ГОСТ 33387 - 2015 «Дороги автомобильные общего пользования. Противогололедные материалы. Технические требования» // Электронный ресурс. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200139225 (дата обращения: 16.01.2020)
2. ОДМ «Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах» //Электронный ресурс. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200032169/ (дата обращения: 16.01.2020).
3. Термические аспекты таяния льда с химическими веществами - антигололедными свойствами//Электронный ресурс. URL: http: // doi.org/10.3141 / 2440-09(дата обращения: 16.01.20)
4. Лабораторные исследования эффективности и воздействия химических веществ зимнего содержания // Электронный ресурс. URLhttp: // doi.org/10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000025(дата обращения: 16.01.2020)
5. Разработка стандартных процедур лабораторных испытаний для оценки эффективности противогололедного материала// Электронный ресурс. URL: http://doi.org/10.1520/JTE103615.  (дата обращения: 16.01.2020)