Зимняя скользкость на дорогах, методы борьбы с зимней скользкостью

Виды зимней скользкости. Зимняя скользкость включает в себя все ви­ды снежно-ледяных образований на поверхности дороги, приводящие к снижению коэффициента сцепления: различные виды естественного об­леденения, которые в метеорологии объединяют понятием гололедицы, и искусственное обледенение в виде снежного наката.

Формирование зимней скользкос­ти на автомобильных дорогах за­висит от метеорологических условий и теплофизических свойств дорож­ной одежды. Частота ее появления зависит от климатических условий и колеблется от 5 до 50 случаев в году. Наиболее общим случаем является! образование гололеда на покрытии в результате замерзания капель дож­дя, мороси, тумана непосредственно на покрытии или в приземном слое воздуха, в котором при пониженной температуре содержится паровоздуш­ная смесь в состоянии, близком к насыщению. Ледяная корка образу­ется в зимний период при темпера­туре воздуха от +4 до — 20 °С: 55% случаев приходится на период 0...-5°С; 80% на период +2... ...-6°С; 90% на период +2... ... — 15 °С. Относительная влажность воздуха со оказывает важное влияние на формирование условий льдооб­разования. Гололед на покрытиях в 95% случаев возникает при W = 70 - 100%, 90% случаев при W = 80 -100%.

При высокой влажности и отрица­тельной температуре в приземном воздухе до - 5 °С еще содержится незамерзшая вода в виде капель диаметром около 2 мм. Чем холод­нее воздух, тем меньше диаметр незамерзших частиц: при tB = - 10 °С в воздухе находится морось -незамерз­шая парообразная вода диаметром частиц около 0,3 мм; при tB = — 30 °С парообразная влага представляет со­бой переохлажденный туман.

По характеру образования разли­чают пять групп обледенения поверх­ности автомобильных дорог. К первой группе относят все виды обледенения, возникающие с понижением температуры воздуха и замерзания имеющейся на покрытии воды. Это гидратационный тип гололедообразования, который возникает от внезапного снижения температуры воздуха до 00С и ниже, когда замерзает вода, находящаяся на покрытиях после дождя, таяния снега, поверхностного стока. Осадки при этом могут отсутствовать. Другой путь обледенения мокрого покрытия – выпадение мокрого снега или дождя при положительной температуре воздуха и дальнейшее замерзание при понижении температуры до отрица­тельных значений. Область образования льда зависит от толщины плён­ки воды, отрицательной температуры воздуха tB, скорости ветра Vв, теплового сопротивления дорожной конструкции R. Время промерзания или время льдообразования в этом случае

T=ah_vR/t_BK_B, (10.16)

где а - коэффициент, учитывающий гидрофобные свойства покрытия; h_r— толщина гололеда; К_в- коэффициент, учитывающий скорость ветра, возрас­тающий с увеличением v_B.

Скорость гололедообразования за­висит от тепловых свойств одежды и полотна. Чем «теплее» дорожная конструкция (больше R), тем мед­леннее остывает покрытие после вне­запного похолодания, тем продол­жительнее время промерзания воды на покрытиях. Толщина слоя льда в этом случае может быть от 1 мм до 2-3 см и зависит от микрошерохо­ватости и ровности покрытий, слоя воды. Этот тип гололедицы характерен очень низким коэффициентом сцепления (около 0,08-0,15), одно­родностью стекловидного льда, од­нородностью структуры по всей тол­щине ледяного слоя. Плотность льда достигает 0,9 г/см³.

Ко второй группе относят те виды обледенения, которые образуются на сухой поверхности в результате кристаллизации водяного пара из воздуха и образования инея при ра­диационном охлаждении покрытия ниже температуры точки росы. Тем­пературный диапазон образования инея от — 7 до — 40 °С. Образование инея возможно при относительной влажности воздуха 80-100% в яс­ную безветренную погоду, при ко­торой имеет место отрицательный баланс тепла. Осадки при этом от­сутствуют.

К третьей_группе относят виды скользкости, возникающие при замерзании осадков, выпадающих на покрытие, охлажденное ниже темпе­ратуры замерзания воды, в резуль­тате чего образуется твердый налет. Различают налет зернистый и ледя­ной. Зернистый налет возникает при намерзании на переохлажденное по­крытие влаги из тумана в начале оттепели, создается ледяная корка с шероховатой поверхностью. Ледя­ной налет образуется из-за замерза­ния капель воды при кратковремен­ном дожде или мороси на охлажден­ном покрытии, когда температура воздуха не более — 2... — 3 °С. Дли­тельный дождь приводит к прогре­ванию верхних слоев покрытия, и капли воды не замерзают.

К четвертой группе относят те виды обледенения, которые возни­кают при выпадении на покрытие переохлажденных капель влаги. Жид­кая фаза на сухом или мокром по­крытии образуется засчет выпаде­ния капель переохлажденной жид­кости из приземного слоя. Пере­охлажденные дожди наблюдаются при температуре до — 5 °С, а пере­охлажденная морось-до — 10 °С.

Температура переохлажденных ка­пель в зависимости от их диаметра может изменяться от — 1 до — 10 °С. 148

Крупные капли воды (диаметром более 2-3 мм) при ударе о покрытие быстро растекаются и промерзают, образуя практически однородную структуру ледяной корки. Мелкие капли (диаметром 1-2 мм и менее) с меньшей температурой промерзания медленнее садятся на покрытие, они удлиняют период льдообразования. Однако скорость образования голо­леда высокая-1-5 ч. Льдообразова­ние возникает сразу на больших тер­риториях. Толщина корки льда не­большая - обычно 1-3 мм, реже до 5 мм, плотность льда 0,7-0,9 г/см³. Это гидратационное гололедообразование. К этой же группе относят конденсационный тип гололедообразования, когда на покрытие оседа­ют не переохлажденные капли жид­кости, а кристаллы льда и мороси.

Покрытия имеют микропоры, ко­торые сорбируют водяной пар, в результате образуются вогнутые ме­ниски. Давление водяного пара над такой поверхностью меньше, чем над плоской, что способствует сорб­ции пара в менисках и конденсации в пленочную воду. Высокая влажность воздуха способствует этому процес­су. Возникающие переохлажденные капли создают очаги последующей конденсации-агрегаты, которые кри­сталлизуются.

Подобные конденсационные про­цессы возникают и в приземном слое воздуха при t_B = + 4... — 6 °С и © = 70 -г- 95%. Переохлажденные кап­ли сорбируют водяной пар и морось. Такие агрегаты в кристаллизацион­ном состоянии оседают и одновре­менно с конденсационными агрега­тами, возникающими непосредствен­но в микропорах покрытий, образу­ют конденсационный тип гололеда, имеющий специфические особеннос­ти: матово-белый цвет, неоднород­ную рыхлую слоистую структуру льда, малую плотность (0,5-0,7 г/см ), большую неоднородность толщины (3-10 мм), более высокий коэффи­циент сцепления (0,15-0,20).

Характерная особенность метео­рологических условий для этого ти­па гололеда: оттепель после дли тельных морозов; слабоморозная по­года (t_n = — 1.. .6 °С) и туманы; низкая положительная температура (г_в = +4... + 1 °С) и туманы при температуре дорожных покрытий

t_пок⁼⁼ — 1 ... — 5 С.

Пятую группу составляют те виды скользкости, которые образуются от уплотнения на покрытии слоя снега, т.е. искусственная скользкость. Снег обладает свойством из­менять свои физические характерис­тики (плотность, прочность) под воздействием колес движущегося ав­томобиля. Процесс формирования снежного наката включает три ста­дии: ———

1) механическое уплотнение снега, в результате образуется накат плот­ностью 0,35-0,5 г/см³. При этом ко­эффициент сцепления колеса с по­крытием может достигать 0,20-0,25;

2) постепенное формирование льда на его поверхности в результате пе­риодического замерзания и оттаива­ния верхнего слоя наката. Тонкая пленка воды образуется от трения колес автомобиля по поверхности уплотненного снега; затем происхо­дит кристаллизация ее в лед за счет большой теплоемкости снежных от­ложений. Плотность такого отложе­ния 0,6-0,65 г/см³;

3) дальнейшее уплотнение и про­мерзание наката до превращения его в сплошной лед плотностью 0,9 г/см³. Коэффициент сцепления снижается до 0,1-0,15.

На процесс образования данного вида обледенения влияет температу­ра воздуха: если она ниже —10 °С, уплотнение снега замедляется. Бы­стрее всего формируется слой на­ката при температуре воздуха, близ­кой к 0°С. При малой скорости ветра снег откладывается на проез­жей части, если скорость выше 6 м/с, имеет место перенос снега, что пре­пятствует его отложению на дороге. Быстрому уплотнению снега способ­ствует высокая интенсивность дви­жения. Водная пленка на снежной или ледяной поверхности образуется в период оттепелей, когда на по­крытии плотный снежный накат или

гололедица. При этом коэффициент сцепления достигает минимальных значений - 0,03-0,15.

Сцепные качества покрытий сни­жаются не только из-за образования снежного наката, но и отложения на них рыхлого, особенно влажного снега, когда коэффициент сцепления может составлять всего 0,1-0,2. Большое разнообразие условий об­разования зимней скользкости на дорогах существенно усложняет раз­работку методов ее прогнозирова­ния и технологии ликвидации.

Методы борьбы.Все мероприятия по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах можно раз­делить на три группы по целевой направленности: мероприятия, на­правленные на снижение отрицатель­ного воздействия образовавшейся зимней скользкости (повышение ко­эффициента сцепления колеса с до­рогой путем россыпи фрикционных материалов); мероприятия, направ­ленные на скорейшее удаление с по­крытия ледяного или снежного слоя с применением химических, механи­ческих, тепловых и других методов; мероприятия, направленные на пре­дотвращение образования снежно-ледяного слоя или ослабление его сцепления с покрытием. Это профи­лактические методы борьбы с зим­ней скользкостью.

В практике зимнего содержания для борьбы с зимней скользкостью применяют фрикционный, химичес­кий, физико-химический и другие комбинированные методы.

Фрикционный метод является ос­новным методом снижения отрица­тельного воздействия зимней скольз­кости. Суть его состоит в том, что по поверхности ледяного или снеж­но-ледяного слоя рассыпают песок, мелкий гравий, отходы дробления, золу, шлак и другие абразивные ма­териалы размером частиц не более 5-6 мм без примеси глины. Россыпь производится пескоразбрасывателями или другими машинами. Наи­большее применение получил песок. На неопасных участках дорог нор­мы расхода песка от 200 до 700 г/м², или около 0,3-0,4 м³ на 1000 м² по­рытая, на опасных - спусках, перекрестках, кривых малого радиуса - нормы расхода удваивают. Преимущество метода в простоте, однако, у него много недостатков. Рассыпанный абразивный материал повышает коэффициент сцепления до 0,3, но задерживается на проезжей части короткое время (не более 0,5 ч), сносится завихрениями после прохода автомобилей, разбрасывается колесами, сдувается ветром. Для восстановления сцепных свойств требуются частые посыпки и большое количество пескораспределителей. Для повышения эффектив­ности распределяют подогретый абразивный материал, который проникает в ледяную корку и после примерзания придает поверхности некотору шероховатость.

Значительно большее распространение получил комбинированный химико-фрикционный метод, когда рас­сыпают фрикционные материалы смешанные с твердыми хлоридами NaCl, СаС1₂. Песчано-солевую смесь приготавливают на базах путем сме­шивания фрикционных материалов с кристаллической солью в отноше­нии 90:10 (по весу соответственно). U Белорусской ССР при химико-фрикционном способе борьбы с зим­ней скользкостью применяют смесь хлористого натрия в виде поварен­ной соли или соли силъвинитовых отвалов с песком в соотношении 1:4 Достоинство песчано-солевых смесей в том, что они не смерзаются и не слеживаются.

На неопасных участках нормы расхода песчано-солевых смесей от 100 до 400 г/м², или 0,1-0,2 м³ на 1000 м² покрытия, а на опасных -0,3-0,4 м³. Песчано-солевые смеси распределяют пескоразбрасывателя­ми или комбинированными дорож­ными машинами с универсальным оборудованием типов КДМ-130, ЭД-403. Такие смеси эффективнее, чем чисто абразивные Однако этот метод требует большого объема распределяемых материалов и боль­шого числа машин для распределения, приводит к значительной кор­розии автомобилей. В СССР он на­шел большое распространение из-за своей простоты.

Комбинированный химико-механи­ческий метод состоит в распределе­нии по снежному накату твердых или жидких хлоридов, которые рас­плавляют и ослабляют снежно-ледя­ной слой, после чего рыхлую массу убирают плужными или плужно-щеточными очистителями, а при их отсутствии - автогрейдерами. Расход твердых хлоридов на I мм слоя замерзшей воды колеблется от 15 до 90 г/м², жидких хлоридов -от 0,08 до 0,15 л/м² в зависимости от вида |хлорида и температуры воздуха.

Для повышения эффективности и уменьшения расхода хлоридов инж. И. В. Филиппов предложил устраи­вать в снежном накате продольные канавки глубиной до 2-5 см и ши­риной 6 см на расстоянии 2 см авто­грейдером, к ножу которого прива­рены зубья. Распределенные твердые или жидкие хлориды в основном собираются в канавках и быстро разрушают накат, который затем убирают плужно-щеточными маши­нами.

Расход хлоридов сокращается на 30-40%.

Химический способ борьбы с зимней скользкостью заключается в пpименeнии для плaвлeния снега и льда твердых или жидких химичес­ких веществ, содержащих хлористые слои.

Физическая сущность взаимо­действия хлористых солей с ледяной поверхностью состоит в гидратации ионов хлора молекулами воды. Этот самопроизвольный процесс сопро­вождается тепловыми явлениями и протекает до наступления динами­ческого равновесия при данной тем­пературе воздуха. Интенсивность про­цесса взаимодействия характеризу­ется плавящей способностью хлори­дов q, т. е. количеством расплавлен­ного льда 1 г соли при данной отри­цательной температуре воздуха. Пла­вящая способность вначале возрас­тает во времени Т^ь, а по мере наступления динамического равнове­сия -стабилизируется

q = aT^b, (10.17)

где а = 1 ÷ 5 - коэффициент, зависящий от вида хлорида; b = 0,25 ÷ 0,75 - коэф­фициент, зависящий от температуры воздуха.

С понижением температуры воздуха плавящая способность хлори­дов снижается и норму их расхода увеличивают.

Кроме того, при плавлении льда образуются растворы, которые мо­гут замерзнуть и стать причиной нового обледенения покрытия. Тем­пература замерзания раствора зави­сит от его концентрации и вида хло­ридов. Так, раствор хлористого нат­рия 23%-ной концентрации замерза­ет при t = 21 °С, а раствор хлорис­того кальция 30%-ной концентра­ции-при / = - 50 °С (рис. 10.14).

Од­нако концентрация раствора может быть значительно меньшей. Поэто­му минимальные температуры воз­духа, при которых допускается при­менять твердые хлориды, ограниче­ны от - 10 до - 20 °С, жидких -от -5 до -15°С.

4.4.1. Для предупреждения образования или ликвидации зимней скользкости проводят следующие мероприятия:

- профилактическую обработку покрытий противогололедными материалами до появления зимней скользкости или в начале снегопада, чтобы предотвратить образование снежного наката;

- ликвидацию снежно-ледяных отложений с помощью химических или комбинированных ПГМ;

- обработку снежно-ледяных отложений фрикционными материалами.

4.4.2. Профилактический способ позволяет снизить затраты дорожной службы на борьбу с зимней скользкостью, обеспечить допустимые сцепные качества покрытий и безопасность движения в зимний период, уменьшить вредное воздействие ПГМ на окружающую среду за счет применения рациональной технологии и минимально-допустимых норм распределения ПГМ. Однако эффективность этого способа возможна лишь при обеспечении зимних работ специализированными прогнозами образования зимней скользкости.

Профилактическую обработку покрытий осуществляют при:

- прогнозировании образования на покрытии стекловидного льда;

- ожидании снегопада и метелей с возможным образованием на покрытии снежного наката.

4.4.2.1. При получении информации о погодных условиях с возможным образованием на покрытии ледяных отложений (стекловидного льда) необходимо провести предварительную обработку покрытия химическими ПГМ в количестве 5 - 15 г/м².

Предварительная обработка может производиться за 1 - 2 ч до прогнозируемого явления погоды.

Для предварительной обработки на дорогах могут быть использованы твердые, жидкие хлориды, а также смоченная соль.

Сухие соли эффективно применять только в том случае, если на поверхности дорожного покрытия имеется достаточное количество влаги для ускорения действия химических ПГМ. Если покрытие сухое или на нем недостаточное количество влаги, то целесообразно использовать смоченные соли.

При температуре воздуха выше -5 °С более эффективно использовать растворы солей или природные рассолы, которые могут распределяться и на сухое покрытие перед выпадением осадков для предотвращения образования скользкости.

Если выпадение осадков продолжается, то для предотвращения замерзания раствора ПГМ производят дополнительную обработку покрытия. При этом норму распределения дополнительной обработки принимают равной норме, приведенной в табл. 4.1 и 4.2, за вычетом произведенного предварительного распределения (5 - 15 г/м²).

4.4.2.2. Технология работ с целью предупреждения образования снежного наката в период снегопада предусматривает распределение химических или комбинированных ПГМ непосредственно во время снегопада, пока свежевыпавший снег еще не уплотнился в результате движения автомобилей. К распределению ПГМ (твердых или жидких) приступают после того, как на проезжей части образуется слой снега, достаточный для закрепления в нем химических ПГМ. Это позволяет сохранить выпавший на покрытие снег в рыхлом состоянии. После прекращения снегопада необходимо полностью удалить снег с дорожного покрытия с помощью снегоуборочных машин.

4.4.2.3. Нормы внесения в снег ПГМ зависят от температуры воздуха и интенсивности выпадения осадков. Для предварительной обработки, предотвращающей уплотнение снежных отложений на покрытии, рекомендуется использовать твердые или смоченные соли с нормой расхода 5 - 15 г/м².

Норма дополнительной обработки устанавливается по табл. 4.1 и 4.2 с учетом количества ПГМ, распределенных при предварительной обработке.

4.4.2.4. Для предотвращения образования снежного наката при прогнозируемом резком понижении температуры воздуха патрульную снегоочистку начинают сразу после получения сообщения от Росгидромета. Работы не прекращают до полной уборки снега.

4.4.2.5. Технология работ по предотвращению образования снежного наката во время снегопадов предусматривает следующие этапы: выдержку, обработку свежевыпавшего снега ПГМ, интервал, очистку покрытия от снега.

4.4.2.6. Выдержка - промежуток времени от начала снегопада до момента распределения химических ПГМ. Продолжительность выдержки зависит от интенсивности снегопада и температуры воздуха. При этом распределение ПГМ по покрытию производится в тот момент, когда на нем уже имеется некоторое количество снега. В период снегопада интенсивностью 1 - 3 мм/ч и выше к распределению противогололедных материалов приступают через 15 - 20 мин после начала снегопада. При слабом снегопаде интенсивностью 0,5 - 1 мм/ч противогололедные материалы распределяют через 30 - 45 мин после его начала.

Если после окончания указанного цикла, включающего предварительное распределение ПГМ, выдержку, дополнительное распределение ПГМ, интервал, снегоочистку, снегопад продолжается, последующее распределение ПГМ и соответствующие операции цикла должны повторяться необходимое количество раз до полной уборки снега с дорожного покрытия.

4.4.2.7. Интервал, устанавливаемый с момента распределения ПГМ до начала снегоочистки, повторяемость снегоочистки и последующих обработок должны устанавливаться с учетом интенсивности снегонакопления и химической активности ПГМ.

4.4.2.8. Очистка проезжей части от снега и шуги должна производиться с таким расчетом, чтобы снегоочистка осуществлялась на высокой скорости и на ширину покрытия, предусмотренную принятым уровнем содержания дороги. После окончания снегопада необходимо произвести удаление оставшихся снежно-ледяных отложений или завершающее подметание.

4.4.3. В случае образования снежного наката его ликвидируют следующим образом. Сначала распределяют химические противогололедные материалы по поверхности вновь образовавшегося наката согласно установленным нормам для данного вида скользкости (см. табл. 4.1, 4.2). После распределения ПГМ необходимо сделать выдержку до тех пор, пока отложения, вследствие частичного их плавления химическими ПГМ, не разрыхлятся в резуль. воздействия колес автомобилей. Образовавшаяся разрыхленная масса должна быть незамедлительно убрана с проезжей части дороги.

4.4.4. При образов-ии на дорожном покрытии стекловидного льда работы по ликвидации этого наиболее опасного вида скользкости заключ. лишь в распредел-ии химического ПГМ по поверхности ледяной корки с учетом норм, приведенных в табл. 4.1.

4.4.5. Ликвидацию зимней скользкости с помощью комбинированных ПГМ осуществляют аналогично химическим материалам с той лишь разницей, что нормы распределения принимают в соответствии с указаниями п. 4.3.7.

4.4.6. При фрикционном способе обработку снежно-ледяных отложений осуществляют с целью повышения шероховатости поверхности дорожного покрытия. Для этого по покрытию распределяют песок, высевки, шлак, подогретые фрикционные материалы. Этот метод временно повышает сцепные качества (коэффициент сцепления) покрытий за счет наличия на нем абразивных материалов. Повторную и последующие обработки покрытий осуществляют при смещении 50 % фрикционных материалов с проезжей части.

Нормы распредел-я более 200 г/м² производят за 2 приема.

Для лучшего закрепления на поверхности снежно-ледяных отложений фрикционных материалов их предварительно разогревают до температуры от 80 до 100 °С и распределяют по обледеневшему покрытию.