Способы борьбы с зимней скользкостью

10.1. Виды зимней скользкости

Все отложения снега и льда, периодически появляющиеся на покрытии и значительно увеличивающие его скользкость, по физическому состоянию можно подразделить на следую­щие четыре вида; стекловидный лед; зернистый лед; твердый снег, рыхлый снег. Это физически разнородные отложения отличаются между собой достаточно четко как по внешним признакам, так и пo физико-механическим свойствам.

Стекловидный лед относится к наиболее опасному виду, коэффициент сцепления шин автомобиля со стекловидным льдом равен 0,08...0,15. При образовании на дорожном по­крытии этого вида отложений автомобильная дорога приобре­тает аварийное состояние и временно становится почти не­пригодной для эксплуатации.

Отложения стекловидного льда образуются единовремен­но на участках дорог большой протяженности и могут сохра­няться длительное время, пока не произойдет их разрушение за счет испарения или таяния. Этот вид отложений представ­ляет собой стекловидную с гладкой поверхностью прозрачную корку льда плотностью 0,7...0,9 г/см³ и толщиной до 3 мм. Стекловидный лед образуется в случае: выпадения должна или мороси при отрицательных температурах; замерзания жидких атмосферных осадков на еще не успевшем прогреться дорожном покрытии во время быстро наступившей оттепели; замерзания талой или дождевой воды при похолодании.

Зернистый лед - наиболее редкий вид отложений. Он имеет зернистое строение, шероховатую поверхность и вклю­чения воздушных пузырьков. Цвет отложений матово-белый, толщина неравномерная и может достигать в районах с ин­тенсивными туманами 10 мм и более. Плотность 0,5...0,7 г/см³. Образуется зернистый лед в основном при плотном тумане с ветром, когда температура воздуха колеблется около 0^оС.

Твердый снег (снежно-ледяной накат) - самый распро­страненный вид отложений на проезжей части дорог. Коэф­фициент сцепления колес автомобиля с накатом составляет 0,2...0,25. Толщина снежно ледяного наката колеблется в ши­роких пределах. При интенсивном движении плотность снеж­ных отложений достигает 0,3...0,6 г/см³.

Рыхлый снег представляет собой снежный слой, обра­зующийся во время слабых и умеренных снегопадов в безвет­ренную погоду и равномерно отлагающийся на дорожном по­крытии. Плотность его от 0,06 до 0,20 г/см³. Снег может быть сухим, влажным и мокрым. С увеличением влажности его плотность растет. Водоудерживающая способность рыхло­го снега достигает 35-55%, При содержании влаги более 20% снег не поддается уплотнению под действием на него нагру­зок, сохраняясь в виде мокрой кашицевидной массы. Если влажность снега меньше, то при высокой плотности движения автомобилей на дороге неизбежно образуется накат.

В 90-95% случаев тонкие (до 3 мм) корки стекловидного льда образуются на дорожных покрытиях при температуре воздуха выше -6°С. Наиболее опасна зимняя скользкость в горах, на крутых подъемах и спусках, где она нередко бывает причиной серьезных аварий.

Химический способ

Химический способ предусматривает использование в ка­честве противогололедного материала химические вещества, обладающие способностью плавить лед в значительном коли­честве при широком диапазоне отрицательных температур. Хлористый натрий NaCl или поваренная соль встречается в природе в виде каменной (минерал галит) и самоосадочной соли соляных озер. На солепредприятиях в качестве готовой продукции выпускают пищевую, техническую и кор­мовую соль. Пищевая соль содержит от 97 до 99,7% NaCl, техническая и кормовая не менее 93%.

Соль сильвинитовых отвалов. Она является отходом производства калийных удобрений из минерала сильвинита, состоящего из хлористого калия, каменной соли и ряда при­месей. В процессе переработки из вильнивитовой руды выде­ляют хлористый калий на удобрение, а хлористый натрий в огромных количествах идет в отвалы, которые по составу и структуре вполне пригодны для борьбы с зимней скользкостью. Например, в составе технической соли в отвалах Верх­некамского калийного месторождения содержится 90...95% хлористого натрия. Зерна этой соли в рассыпчатом состоянии размером более 5 мм составляют в среднем 10%, от 5 до 1 мм около 60% и менее 1 мм около 30%.

Хлористый кальций CaCl₂. В нашей стране он изготав­ливается с содержанием основного вещества в пределах 67-95%, а в жидком виде с содержанием хлорида кальция 32-38%

Смесь хлористого натрия и хлористого кальция. Это эффективный прстивогололедный материал, взаимодействую­щий со льдом при низких температурах, так как добавка СаСl2 к хлористому натрии снижает точку замерзания рас­твора смеси, Эта смесь не слеживается при хранении. Для ослабления слеживаемости рекомендуется приготавливать смеси в следующих пропорциях: 92 : 8 при использовании 90%-ного CaCl2 или 88 : 12 при 67%-ном СаСl₂.

Хлористый кальций фосфатированный (ХКФ). Это продукт, который введена добавка ингибитора (фосфата), рез­ко снижающего коррозионное действие хлористого кальция на металлы. Ингибитор вводится в заводских условиях в ко­личестве 4...6% от массы хлористого кальция.

Реагент НКМ. представляет собой соединение нитрита кальция с мочевиной. Он выпускается промышленностью в гранулированном виде. НКМ бистро взаимодействует со льдом, обладает хорошей плавящей способностью и не вызы­вает коррозию металла. Этот продукт используется на аэро­дромах для обработки взлетно-посадочных полос. На автомо­бильных дорогах НКМ пока не применяется из-за высокой стоимости и ограниченных ресурсов.

Технический хлористый магний МgСl2 6H2O (бишофит). В Советском Союзе изготавливается путем упаривания рапы залива Кара-Богаз-Гол. Он представляет собой чешуированный продукт, содержащий 47% хлористого магния и 53% кри­сталлизационной воды. Для борьбы с зимней скользкостью могут широко использоваться жидкие хлориды в виде рассо­лов. В России высококонцентрированные рассолы распро­странены на обширной территории и их ресурсы неограни­ченны. Месторождения рассолов зачастую имеются в районах с густой сетью автомобильных дорог. По сравнения с кри­сталлическими веществами рассолы технологичнее. В них легко можно вводить различные добавки с целью расширения температурного диапазона применения рассола или для по­давления его коррозионной активности. По источникам полу­чения рассолы можно подразделить на четыре вида: природ­ные подземные; искусственные подземные; рассолы соляных озер; промышленные отходы.

Природные рассолы образуются путем естественного выщелачивания растворимых солей из горных пород. В Рос­сии они распространены на обширной территории к западу от Урала, в бассейнах рек Волги, Камы, Северной Двины и в других районах. Содержание солей в природных рассолах увеличивается с глубиной до 200...300 г/л и более. Природные рас­солы многокомпонентны. Они содержат в своем составе до 60 различных элементов. Преобладающими элементами являют­ся ионы хлора, натрия, кальция, магния. По химическому со­ставу природные рассолы относятся чаще к хлористонатрие­вым или хлористокальциевонатриевым.

Искусственные рассолы образуются путем растворения подземных залежей каменной соли пресной водой, нагнетае­мой по специальным скважинам в соляной пласт. Искусст­венные рассолы, как правили, одно компонентны. Концентра­ция хлористонатриевой соли достигает обычно состояния на­сыщения.

Озерные рассолы размешаются на поверхности земли в приморских и континентальных бессточных котловинах. По количеству соляных озер и растворенных в них солей Россия занимает первое место в мире. Соляные озера распростране­ны от низовья Дуная до верховья Оби, на обширной террито­рии степной, полупустынной и пустынной природных зон. Солевой состав озерных рассолов разнообразен. В примор­ских озерах преимущественно содержатся соли хлористого натрия и хлористого магния, а также сернокислый магний и сернокислый натрий. В рассолах континентальных озер со­держатся: хлористый натрий, хлористый кальций, хлористый магнии, гипс и другие вещества. Преобладающей солью в приморских и континентальных озерах часто является хлори­стый натрий, содержание которого достигает 80% от массы всех солей. Концентрация озерного рассола подвержена су­щественным колебаниям по сезонам года. К концу лета она увеличивается и нередко достигает 200...300 г/л и более.

Промышленные отходы рассола образуются на многих предприятиях различных отраслей промышленности. Много рассола идет в отход на химических заводах, производящих йод, бром, хлор, соду и другие продукты. Значительные ре­сурсы высококонцентрированных рассолов в виде отходов производства имеются на нефтепромыслах. Промышленные отходы жидких хлоридов весьма разнообразны как по соста­ву, так и посодержанию растворенных в них солей. Каждый вид хлорида взаимодействует со льдом в определенном тем­пературном диапазоне. Хлористый натрий плавит лед при температуре до -21,2°С, хлористый магний до -33,б°С и хло­ристый кальций до -49,8°С. Эти предельные температуры и соответствуют насыщенным растворам. Которые при указан­ных предельных значениях температур полностью замерзают и образуют твердую смесь из льда и соли. У разбавленных растворов температура замерзания зависит от концентрации раствора. Закономерность изменения температуры замерзания от концентрации раствора показана на рис. 10.1. С увеличе­нием массы льда при понижении температуры объем раство­рителя в растворе убывает, а концентрация раствора увели­чивается с соответствующим понижением температуры за­мерзания растворителя.

Рис. 10.1. Кривые замерзания растворов

Физико-химические свойства вещества, температура, при которой оно применяется, и объем снежно-ледяных отложе­ний, подлежащих расплавлению, являются главными крите­риями для определения норм распределения противогололед­ных химических материалов.

Для повышения коэффициента сцепления колес автомо­биля со скользкой поверхностью дороги на ней рассыпают пе­сок, высевки каменных материалов или шлак. Лучшими свой­ствами обладают песок и высевки с размером зерен 2...3 мм (но не более 8 мм). Чем крупнее зерна, тем больше расход материала, так как при разбросе крупнозернистых фракций ухудшается сцепление колеса с дорогой. Крупные частицы при механическом распределении могут нанести повреждения автомобилям. Эффективность применения фрикционных ма­териалов снижается, если, например, в них содержатся гли­нистые или илистые примеси, загрязняющие дорогу и повы­шающие ее скользкость.

Фрикционный способ

Фрикционный способ борьбы с зимней скользкостью име­ет ряд существенных недостатков: требуется большое коли­чество пескоразбрасывателей; необходимо производить боль­шие объемы работ по заготовке и распределению материалов, так как нормы их россыпи велики (200...400 г/м²). Кроме то­го, при интенсивном движении автомобилей с большой ско­ростью фрикционные материалы быстро смещаются с проез­жей части дороги к обочине. Например, по исследования ДорНИИ уже через 15...20 мин после россыпи сухого песка на обледенелое покрытие коэффициент сцепления колеса со скользкой дорогой становится таким же, каким он был до об­работки дороги песком. Коэффициент сцепления повышается весьма незначительно даже и в том случае, когда посыпка фрикционных материалов производится по норме 1100 г/м² (рис. 10.2, кривая 3).

Эффективность борьбы с зимней скользкостью рассмат­риваемым способом несколько повышается при введении в фрикционный материал хлоридов б твердом или жидком виде. Добавка хлоридов производится заблаговременно в количест­ве 8...10 % от массы песка. Песчаносолевая смесь, получае­мая путем тщательного перемешивания соли с песком, обла­дает способностью сохраняться в зимнее время в рыхлом не­замерзающем состоянии, что облегчает загрузку пескоразбрасывателей и позволяет достичь равномерной плотности по­сыпки.

Рис. 102. Зависимость коэффициента сцепления от разных состояний покрытия:

1 - обледенелое покрытие, не обработанное противогололедными материалами; 2 - обледене­лое покрытие, обработанное фрикционными мате­риалами по норме 100 гр/кв.м; 3 - обледенелое покрытие, обработанное фрикционными материа­лами по норме 1100 гр/кв.м; 4 - мокрое покрытие

Главное же преимущество добавки соли в песок заключа­ется в том, что она при взаимодействии со снежно-ледяными образованиями расплавляет их. Но при несоблюдении техни­ческих требований, предъявляемых к распределению песчано­солевой смеси, на поверхности напущенного толстого слоя уплотненного снега образуются ямы, бугры, колеи и прочие неровности. Условия эксплуатации дороги становятся хуже, чем после

обработки дороги только песком без добавки соли. Фрикционные материалы без добавок хлоридов могут перио­дически применяются в основном на дорогах с низшими пе­реходными типами покрытий, на которых по каким-либо при­чинам в течение зимы предусматривается возможность со­хранения плотного слоя снега.

Тепловой способ

Фрикционные материалы без добавок хлоридов могут пе­риодически применяться в основном на дорогах с низшими переходными типами покрытий, на которых по каким-либо причинам в течение зимы предусматривается возможность сохранения плотного слоя снега. Борьба с зимней скользко­стью тепловыми способом осуществляется с помощью ста­ционарных систем и устройств, обеспечивающих обогрев по­крытия, а также самоходными тепловыми машинами, принцип действия которых основан на использовании горячих выхлоп­ных газов газотурбинных двигателей. Надежную защиту дорог от обледенения обеспечивают стационарные системы и уст­ройства, автоматически включающиеся в период снегонакоп­ления или льдообразования. Конструкции нагревательных систем и устройств подразделяются на два типа: с глубинным и поверхностным обогревом.

Глубинный обогрев покрытий производится при помощи теплофикационной системы трубопроводов или электронагре­вательных тепловых линий. Нагревательные элементы (системы труб, нагревательные провода, сетки, кабели) доста­точно густо укладываются на небольшой глубине (30...50 мм) от поверхности покрытия. Покрытие быстро нагреваются, что вызывает плавление снега по мере его выпадения и предот­вращает возможность образования гололеда.

В качестве теплоносителя применяются, горячая вода, нагретый воздух, различные жид­кости с низкой температурой замерзания и электроэнергия. В систему обогрева дорожного покрытия горячая вода и подог­ретый воздух поступают от теплоцентрали. Возможности под­ключения системы обогрева к централизованному теплоснаб­жению или использования горячей воды промышленных уста­новок крайне редки. При устройстве в дорожном покрытии сети трубопроводов усложняется технология строительства дорог и увеличивается материальные затраты на их эксплуа­тацию. При использовании в качестве теплоносителя горячей воды или пара возможна коррозия металлических труб и их разрыв при замерзании воды и неизбежно образование кон­денсата. Поэтому системы обогрева с использованием горячей воды или нагретого воздуха не находят широкого распростра­нения, Они используются ограниченно в основном в город­ских условиях и. в частности, для обогрева ступней подзем­ных переходов.

В качестве теплоносителей целесообразно использовать жидкости с низкой температурой замерзания, например рас­творы этиленгликоля и минерального масла. Температура за­мерзания этиленгликоля зависит от его содержания в воде. В связи с чем, регулируя это содержание, можно обеспечить бесперебойную работу системы практически при любых тем­пературных режимах.

В настоящее время наибольшее распространение приоб­ретают системы обогрева покрытий электрическим током. Эти системы имеют много разновидностей, отличающихся друг от друга как по свойствам и конструкциям нагревательных эле­ментов, так и по напряжению подводимого тока. При исполь­зовании более высокого напряжения (220...389 В) нагревате­лями являются различные кабели, а при потреблении тока напряжением 10...45 В нагревателями служат стальные сетки и арматура. С целью отказа от потребления электроэнергии в часы пик разработана система аккумулированного электрообогрева дороги. Такая система предусматривает накопление тепла в дорожном покрытии в ночное время в количестве, достаточном на некоторый период дневного времени.

Электрообогрев - самый дорогой способ борьбы с зимней скользкостью. Если годовые эксплуатационные расходы на электрообогрев единицы площади и покрытия принять за 100%, то расходы на обогрев системой трубопроводов при сжигании газа составят лишь 52%.