Борьба с зимней скользкостью
Наличие или отсутствие гололеда на поверхности покрытия автомобильных дорог связано с комплексом метеорологических факторов, способствующих образованию льда на различных типах покрытий. Одним из таких условий является выпадение жидких осадков, т.е. при наличии переохлажденного дождя, талого снега на поверхности покрытия при отрицательных температурах следует ожидать появления льда в 90 случаях из 100. Наибольшая вероятность начала образования гололедных отложений наблюдается через 2-3 часа после изменения погодных условий.
Вероятность образования льда на поверхности асфальтобетонного покрытия при температурах в интервале от 0 °С до –8 °С близка к 100 %, а ее зависимость от влажности окружающей среды незначительна. При температурах воздуха –8 °С и ниже вероятность образования льда резко уменьшается. Вода успевает перейти из жидкого состояния в парообразное прежде, чем наступит процесс ее замерзания.
Борьба с зимней скользкостью ведется по трем направлениям: улучшение сцепления колес автомобилей с покрытием; удаление снежно-ледяных образований с дорожного покрытия; предотвращение образования скользкости. Основные способы борьбы: фрикционный, химический, тепловой и механический.
Широко распространенфрикционный способ, заключающийся в рассыпании по поверхности обледенелого слоя материалов, повышающих коэффициент сцепления шин с дорогой (песка, шлака, золы и т. д.). В табл. 1 приведен усредненный тормозной путь легкового автомобиля с начальной скоростью 40 км/час при использовании абразивных антигололедных реагентов.
Таблица 1
Тормозной путь автомобиля после применения абразивов
| Состояние покрытия | Коэффициент трения | Тормозной путь, м |
| Снежный накат, ниже –15 0C | 0,18 | 35,0 |
| Свеженанесенный абразивный материал (300 кг/км) | 0,40 | 15,7 |
| Покрытие после прохода нескольких автомобилей | 0,23 | 29,5 |
Недостаткамифрикционного способа являются значительные транспортные расходы на перевозку и распределение материалов. Обычно песок наносится на покрытие в количестве до 340 кг на км на 1 полосу движения. Песок предназначен для временного увеличения сцепления между колесами транспортных средств и покрытием.
Большое распространение получил комбинированный химико-фрикционный метод, когда фрикционные материалы (песок) смешиваются с твердыми хлоридами в различных соотношениях. Применение пескосоляной смеси (фрикционных материалов) считается неэкономичным из-за засорения водостоков в городах и большого расхода материалов: для неопасных участков - 0,1 – 0,2 м3 на 1000 м2 покрытия (от 100 до 400 г/м2), на опасных - от 0,3 до 0,4 м3 на 1000 м2.
Песок или высевки могут быть применены «напрямую», могут быть предварительно увлажнены растворами солей (в хранилище или при погрузке в пескораспределитель) или поставляться смешанными с солью (с соотношением песок:соль от 1:1 до 4:1).
Получаемые выгоды являются временными, если не заставить абразивы задерживаться на снеге или льду. Крупный песок дает больший прирост коэффициента сцепления при низких температурах, в то время как мелкий песок предпочтительнее при температурах ближе к точке плавления льда. Улучшение сцепления в основном зависит от расхода материала (до 580 кг/км/полоса движения). Существуеттри способа удержать абразивы на дорожном покрытии: предварительное увлажнение абразивов растворами жидких противогололедных реагентов, нагрев абразивов до применения, смешивание абразивов с водой до применения.
Жидкость (раствор NaCl или CaCl2) добавляется в количестве до 50 л/т абразивов. Такой способ увлажнения задерживает до 96 % материала на поверхности покрытия. Кроме того, увлажнение растворами хлоридов дает толчок к частичному таянию наката.
Другой способ – нагрев абразивов до высокой температуры при погрузке или в распределителе. Горячие абразивы должны растапливать незначительное количество снега или вмерзать в накат. Талая вода повторно замерзает вокруг абразива и «приклеивает» его к поверхности снега или льда. В теории, примерзшая частица абразива останется на месте намного дольше, чем абразивы, распределяемые обычным методом. Третий способ - смешивание абразивов с водой перед распределением. Небольшое количество воды на частице абразива заставит частицу быстро примерзнуть к дорожной поверхности, в результате чего она дольше останется на месте.
Механический способ борьбы с зимней скользкостью предусматривает использование самоходных и прицепных машин и механизмов ударного, скребкового, вибрационного или срезывающего действия для разрыхления и отделения льда и уплотненного снега от покрытия. Применение таких машин пригодно для складывания и срезания толстых уплотненных снежно-ледяных корок. Для удаления тонких ледяных пленок механический способ является неприемлемым. Это связано со значительной прочностью контакта смерзания льда с бетоном и асфальтобетоном. Под действием нагрузки разрушение льда часто происходит не по контакту «лед – покрытие», а по льду. Механический способ борьбы с зимней скользкостью применяется чаще всего в сочетании с химическим, когда химическими веществами предварительно ослабляют снежно-ледяной слой, а затем его удаляют с дороги машинами.
Основной путь повышения эффективности борьбы с зимней скользкостью – полное удаление ледяного или снежно-ледяного слоя тепловым или химическим способом.
Тепловой способ применяется в двух видах: удаление снежно-ледяных отложений путем подогрева покрытий нагревательными элементами, закладываемыми в покрытия и удаление снежно-ледяного слоя с покрытий с помощью тепловых машин. Нагревательные системы, применяемые для покрытий используют токопроводящий кабель с высоким сопротивлением или трубы, содержащие горячий теплоноситель. Токопроводящий бетон можно разделить на два типа: железобетон, содержащий токопроводящее фиброволокно и бетон, содержащий токопроводящие заполнители. Первый тип имеет более высокую механическую прочность, но низкую проводимость с удельным сопротивлением приблизительно 100 Вт*см из-за слабого контакта поверхностей «волокно к волокну».
Второй тип имеет более высокую проводимость с удельным сопротивлением от 10 - 30 Вт*см, но относительно низкий предел прочности при сжатии. Ослабление механической прочности возникает из-за содержания токопроводящих добавок, увеличивающих водопоглощение (типа сажи и кокса).
Можно использовать токопроводящий слой бетона для борьбы с обледенением настилов мостов.
Другой источник энергии – микроволновый нагрев. При прямом электрическом нагреве постоянный ток подводится к токопроводящему верхнему слою бетона на поверхности моста, чтобы получить температуру, достаточную для плавления льда. Эта схема подобна процессу нагрева в микроволновой печи. Выполнимость этого подхода зависит от свойств токопроводящей бетонной смеси.
Недостатком перечисленных систем является недостаточный опыт их практического применения.
Недостатки применения тепловых аэродромных машин дляудаления снежно-ледяных отложений путем подогрева покрытий автомобильных дорог:
- движение транспорта во время работы тепловой машины приходится прерывать, что приводит к образованию транспортных «заторов» на участке и вызывает необходимость периодических остановок для пропуска скопившихся автомобилей;
- производительность существующих тепловых аэродромных машин невысока при высоком удельном расходе топлива, что делает тепловой способ сравнительно дорогим;
- работа тепловой машины сопровождается сильным шумом и отбрасыванием на значительное расстояние кусков льда и уплотненного снега, что затрудняет их использование в населенных пунктах;
- применение тепловых машин на покрытиях, построенных с использованием органических вяжущих материалов, может вызвать местные повреждения вследствие выгорания вяжущего;
- при работе тепловых машин на участках дорог, огражденных блоками или криволинейным брусом, а также на мостах с перилами наблюдается так называемый «отбойный эффект». Он выражается в отбрасывании обратно на дорогу снежных и ледяных частиц.
Наиболее эффективен химический способ борьбы с зимней скользкостью. Химические материалы в «чистом» виде можно применять как для полного расплавления, ослабления или предотвращения образовавшегося на покрытии снежно-ледяного слоя. В зависимости от поставленной задачи применяются различные материалы и технологии.
Так, для предотвращения образования снежно-ледяного слоя, его расплавления или ослабления по поверхности слоя распределяют материалы, образующие с тающим льдом раствор с пониженной температурой замерзания, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
Реагенты для борьбы с гололедом
| Реагент | Температура применения, °C | Расход, г/м2 |
| NaCl | -10 … +1 | 13 - 68 |
| CaCl2 | -25 | до 20 |
| NaCl + CaCl2, раствор | -17 - 0 | 21-50 л/м3 соли |
| CMA | -5 - 0 | 15 - 39 |
| Мочевина | -9 | 26 - 136 |
| MgCl2 | -15 | 8 -11 |
Распространенный реагент для борьбы с обледенением - хлористый натрий (NaCl). Его использование вызывает повреждение бетонного покрытия и мостовых настилов (например, разрушение поверхности и коррозия стыков), коррозионное повреждение автомобильных кузовов, загрязнение почв обочины и стока. Соль усиливает осмотическое давление, заставляющее воду двигаться к верхнему слою плиты, где происходит замораживание. Это действие более серьезно, чем обычное замораживание и оттаивание.
Нормы распределения противогололедных материалов зависят от температуры воздуха, вида соли и толщины ледяных отложений на дорожном покрытии и плотности льда. При этом в соответствии с ВСН 20-87 расход хлоридов за зиму не должен превышать 2 кг/м2 во II дорожно-климатической зоне и 1,5 кг/м2 в III дорожно-климатической зоне. Однако указанные нормы (а это 16-18 т на 1 км дороги или 30-40 г/м2 за 1 посыпку) нельзя считать экологически обоснованными, бывает достаточно 5-7 г/м2 солей, чтобы обеспечить отсутствие скользкости в течение всего зимнего сезона. Наиболее эффективное применение солей ограничивается температурным интервалом от 4 °С до минус 7 °С. При более низких температурах, характерных для зимнего периода большей части России, антигололедные свойства солей резко снижаются. При использовании сухой соли теряется до 70 % вещества, так как соль сдувается с покрытия турбулентными воздушными потоками и уносится колесами транспорта. Применение жидких и влажных солей позволяет в 2 раза снизить расход соли и ее негативное воздействие на окружающую среду. Для использования соли во влажном состоянии к ней добавляется от 2,5 до 5% воды, для рассолов - 25-30 %. Важным фактором эффективной обработки покрытия дороги является температура воздуха. Работы по борьбе с зимней скользкостью нельзя проводить при температуре воздуха ниже температуры замерзания применяемого рассола: рыхлый снег и накат обрабатываются до –20 °С, стекловидный лед - до –4 °С. Чем ниже температура, тем больше расход вещества.
Несвоевременное распределение хлоридов при низкой температуре, недостаточно жесткое соблюдение правил технологии и режима уборки снежно-ледяной массы с проезжей части, использование устаревших методов борьбы и техники, передозировка соли, повторяющаяся от сезона к сезону, ведет к большому перерасходу противогололедных материалов и ухудшению состояния окружающей среды, что требует новых подходов к решению данного вопроса. Выбор оптимальных средств борьбы с гололедом явлениями и их количество следует рассматривать с двух позиций: технико-экономической и экологической.
Негативное воздействие на окружающую среду может быть снижено при использовании в качестве противогололедных средств органических соединений типа карбамида. Он имеется в достаточном количестве, обладает пониженное агрессивностью к материалам покрытия, металлам. Но применение карбамида может вызывать перенитрование почв и накопление нитратов в растениях и грунтовых водах. Карбамид медленнее взаимодействует со льдом, особенно при температурах ниже –5 0С, склонен к комкованию и в три раза дороже хлоридов.Для обработки покрытий также могут использоваться спирты и гликоли, загрязняющие окружающую среду в придорожной полосе значительно ниже, чем неорганические соли. Но они имеют значительно более высокую стоимость, являются пожароопасными, коррозийными, часть из них ядовита, а часть приводит к снижению содержания кислорода в воде и в почве. При использовании спиртов и гликолей значительная их доля теряется при испарении с поверхности дороги.
В качестве противогололедных материалов могут использоваться также отходы промышленности. Например, в Белоруссии основным химическим реагентом для борьбы с гололедом являются галитовые отходы Солигорских калийных комбинатов, содержащие 91 % NaCI, 4,5 % КСl, 1,2 % CaSO4, 0,3 % MgCl и 4-6 % механических примесей. Эти отходы смешиваются с песком в отношении 1:1-1:4 и используются до температуры воздуха – 15 °С. В Воронежском архитектурно-строительном университете разработаны рекомендации по повышению коэффициента сцепления скользких покрытий при применении шлаковой мелочи конверторного, доменного, электросталеплавильного производства черных металлов. Особенно эффективно действие шлаковых материалов на дорогах с гладкой поверхностью покрытия (шероховатость менее 0,3 мм) при борьбе со стекловидным льдом.
При большой нагрузке сопротивляемость льда, даже в случае постоянной деформации уменьшается, что свидетельствует о наличии релаксации, одновременно с которой проявляется и эффект режеляциильда - когда в зоне повышенного давления зерен минерального материала на лед (или любого другого материального тела), происходит плавление кристаллов льда. При этом талая вода вытесняется и зерна шлака, через которые передается давление колес транспорта на лед, проходят через его толщу.
Требования к зимнему содержанию дорог предусматривают ликвидацию ледяных отложений в директивные сроки, а нормы распределения противогололедных материалов назначаются из условия расплавления слоя льда определенной толщины.
Рациональным является профилактический метод борьбы со снежно-ледяными образованиями. Он заключается в распределении противогололедных материалов, в том числе в виде рассолов, до и во время снегопада, что препятствует сращиванию льда с покрытием, снижает расход солей (не более 10 г/м2), устраняет необходимость посыпки песком. Профилактическую борьбу со скользкостью рекомендуется проводить и с целью предотвращения образования снежного наката. Норма расхода сухого вещества зависит от вида реагента и изменяется в различных странах от 4 г/м2 до 20 г/м2, которые дозируются с высокой точностью - до 3 г/м2 сухих или увлажненных солей при ширине распределения до 14 м.
Перспективным является предупреждение образования сил сцепления льда с материалом покрытия, т.е. создание в процессе строительства дорожного покрытия с антигололедными свойствами путем введения в его состав соответствующих химических веществ. Начало этому направлению положил материал «Verglimit», разработанный в конце 70-х годов швейцарской фирмой «Пластроут». Это многокомпонентный антиобледенитель, состоящий из частично кристаллизованного хлорида кальция (80 %) и гидроокиси натрия (5 %), равномерно распределенный в асфальтобетонной смеси верхнего слоя дорожной одежды. В асфальтобетон «Verglimit» вводился в количестве 5 % от массы мелкозернистого каменного материала.
Ученые ГП «Росдорнии» изобрели реагент «Грикол», получаемый в результате совместного помола около 90 % хлористых солей натрия и кальция и около 10 % кремнийорганического гидрофобизатора. Гидрофобные свойства, которыми обладает «Грикол», усиливают антигололедный эффект за счет снижения адгезии льда к покрытию и уменьшают трудозатраты по очистке поверхности после обильных снегопадов и предотвращают образование снежного наката. «Грикол» не допускает повторное образование льда при переходе температуры через 0 °С.
Реагент вводится в состав асфальтобетонных и черных смесей в процессе их приготовления и при эксплуатации покрытия позволяет сократить расход противогололедных материалов, снизить коррозионное воздействие в период зимнего содержания на 30 %.