СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СКОЛЬЗКОСТИ НА ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЯХ И ТРОТУАРАХ
METHOD TO PREVENT SLIPPERINESS ON ROAD SURFACES AND PAVEMENTS

Изобретение относится к автомобильно-дорожной и коммунальной отраслям, а именно к способам, предотвращающим скользкость на автодорогах и тротуарах в зимний период. Для предотвращения скользкости, как известно, на поверхность дорожного и тротуарного покрытия при температуре от -1 до -20°C наносят, так называемые, противогололедные реагенты (ПГР), которые предотвращают обледенение или способствуют оттаиванию льда и снега. В качестве ПГР применяется довольно широкая группа химических соединений: хлориды щелочных и щелочноземельных металлов: хлористый натрий, хлористый кальций модифицированный «ХКМ», хлористый магний модифицированный «Биомаг», хлористый кальций фосфатированный «ХКФ», природные рассолы (хлористо-натриевые, хлористо-кальциево-натриевые); ацетаты, например, на основе ацетата калия «Нордикс», «Антиснег-1» (на основе ацетата аммония), смесь ацетата магния и ацетата натрия; карбамиды например, карбамидно-аммиачные селитра «КАС» и др.; нитраты: «НКМ» (на основе нитрата кальция и мочевины), «НКММ» (на основе нитрата кальция, магния и мочевины (RU 2370511, C09K 3/18, 2005).
Изучение предшествующего уровня техники показывает, что основным направлением исследований в данной области является подбор различных составов ПГР, которые были бы безопасными для человека, животных и растений, эффективны, экономичны, экологически приемлемы. Для характеристики этих свойств противогололедных реагентов используют соответствующие показатели, среди которых важнейшим для применения является показатель плавящей способности, показывающий, сколько граммов снега (льда) расплавит 1 г ПГР. Этот показатель определяет нормы расхода ПГР на единицу обрабатываемой поверхности при конкретной температуре, определенной толщине снежного покрова и плотности снега.
Неточности в определении норм расхода различных ПГР приводят к их неэкономичному использованию, а также к загрязнению окружающей среды при избыточном применении реагентов, например хлористых солей, отрицательно влияющих на экологическую обстановку. Поэтому определение достоверного значения плавящей способности, а отсюда и норм расхода, является принципиально важной задачей при оценке свойств того или иного состава ПГР.
До настоящего времени значение плавящей способности определялось по опубликованной ранее Методике испытания противогололедных реагентов (Министерство транспорта Российской Федерации, Росавтодор, Москва, 2003). Плавящую способность, в соответствии с этой Методикой, определяют по изменению массы льда в кювете (чаше) до и после обработки противогололедными реагентами за определенный промежуток времени при заданной температуре. А именно, плавящую способность ПГР устанавливают только при трех конкретных температурных режимах: при [0-(-4)]°С, [-8-(-12)]°C, [-16-(-20)]°C, количество расплавленного льда получают при продолжительности испытания в течение двух часов. Согласно п.1.9.5. Методики плавящую способность (М) ПГР вычисляют по формуле:
<mrow><mtext>M</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mtext>m</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mtext>m</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mtext>m</mtext><mtext>P</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>m</mtext><mtext>P</mtext></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
1
где m - масса чаши со льдом до обработки противогололедным материалом, г;
2
m - масса чаши после испытания с остатками нерасплавленного льда и ПГМ, г;
p
m - количество используемого протигололедного материала, г.
Основными недостатками известной Методики, а именно применения ее для определения норм расхода ПГР при обработке дорожных и тротуарных покрытий, являются:
1) большая погрешность определения плавящей способности из-за допускаемого по Методике отклонения от фактического значения температуры испытания на ±1°C. Например, для температуры -2°C при погрешности этого значения ±1° плавящая способность, рассчитанная по справочным данным (Краткий справочник химика, изд. Химия, М-Л, 1964), составляет: для -2°C ~ 29 г/г, для -1°C - 58 г/г, для -3°C - 20 г/г, то есть погрешность определения норм расхода для -2°C может составить от +100% до -30%.
2) занижение плавящей способности ПГР, так как измерение проводится за ограниченный (2 часа) промежуток времени действия ПГР, то есть без учета кинетики плавления льда (снега) тем или иным реагентом и необходимости достижения термодинамического равновесия в системе реагент-лед, которое, например, для хлористого натрия наступает не ранее 6-ти часов;
3) сложность применения на практике установления норм расхода различных ПГР для температур вне указанных интервалов, т.е. от -3°C до -9°C, от -11°C до -17°C, то есть несоответствие критерию «промышленная применимость» в связи с тем, что для расчета норм расхода требуется дополнительно использовать приемы интерполяции со свойственными им дополнительными погрешностями.
Для устранения перечисленных недостатков, а именно возможности определения расходной нормы противогололедного реагента при его применении в заданных температурных условиях по значению его установленной равновесной плавящей способности для любой температурной точки в температурном интервале от -1 до -20°C, предлагается способ предотвращения скользкости на дорожных покрытиях, который осуществляют нанесением на покрытия противогололедных реагентов в количестве, соответствующем их равновесной плавящей способности, которую определяют на основании конечной равновесной концентрации вещества в растворе, выраженной в массовых долях или долях единицы, и которую, в свою очередь, определяют с использованием дифференциальных значений водных растворов противогололедных реагентов в диапазоне массовых концентраций 1-100%-ных в интервале температур [-1-(-20°C)] с использованием соответствующего графика в координатах: массовая доля противогололедных реагентов - температура начала кристаллизации, которые снимают в автоматическом режиме при атмосферном давлении (84,0-106,7) кПа.
Способ устранения скользкости осуществляют с применением в качестве противогололедных реагентов соединений, выбранных из группы: соли аммония и соли щелочных, щелочноземельных металлов в виде хлоридов, формиатов, ацетатов, нитратов, фосфатов или их смеси, в том числе с карбамидами и/или фрикционными нерастворимыми материалами. Величину равновесной плавящей способности рассчитывают по формуле:
t
o
t
P=C/C-1,
t
o
t
где P - равновесная плавящая способность, C - исходная концентрация химического вещества в растворе или сухом реагенте (в массовых долях или принятая за единицу), C - конечная равновесная концентрация вещества в растворе (в массовых долях или долях единицы).
Способ установления плавящей способности осуществляют на автоматизированной установке, включающей криотермостат с управляющим электронным блоком, ячейку для измерений с термометром сопротивления высокого класса точности и металлическую мешалку, измеритель-регулятор температуры, компьютер с дисплеем.
Вариант исполнения автоматизированной установки для определения температуры начала кристаллизации растворов ПГР представлен на схеме (рис.1) и включает: баню криотермостата (1); управляющее устройство криотермостата (2); штатив (4), кривошипно-шатунный механизм мешалки (5); редуктор, обеспечивающий вращение кривошипно-шатунного механизма мешалки (6), электродвигатель мощностью 1,5 В (7), внешнюю защитную пробирку, выполненную из материала стекло/пластик, с бортиком, обеспечивающим устойчивость ячейки для измерений, внутренний диаметр которой - 28 мм, длина -120 мм (8), пробку для фиксации внутренней пробирки, выполненную из пробки или резины или тефлона (9), внутреннюю пробирку (основной элемент ячейки для измерений), выполненную из стекла, внешний диаметр которой - 25 мм, длина 150 мм (10), пробку для фиксации термометра сопротивления и мешалки, выполненную из резины или пробки (11), металлическую мешалку, выполненную из меди или нержавеющей стали или нихрома, диаметром -(0,8-1,0) мм (12), термометр сопротивления, класса точности А (0,15°C+0,002·|1|), ⌀=4 мм (13), измеритель-регулятор температуры (15), 16 - компьютер, дисплей (17).
Данная автоматизированная установка действует следующим образом:
- баня термостата (1) охлаждается до [-30-(-40)]°C;
- внутренняя пробирка (10) с испытуемым раствором закрывается пробкой (11) с мешалкой (12) и термометром сопротивления (13) и помещается в защитную пробирку (8), которая опускается в баню термостата;
- включается мешалка (12) для перемешивания охлаждающегося испытуемого раствора;
- на экране дисплея (17) наблюдается ход изменения температуры испытуемого раствора (рис.2);
- фиксируется по положению первого горизонтального участка на кривой охлаждения, температура кристаллизации раствора (рис.2);
- операции повторяют для растворов ПГР с различными значениями массовой концентрации реагента.
В предлагаемом способе вместо величины плавящей способности ПГР (как в прототипе) используется равновесная плавящая способность, под которой рассматривается максимально возможное количество льда (снега), которое способен расплавить 1 г ПГР в определенных температурных условиях до достижения термодинамически равновесного состояния системы «раствор-лед (снег)». Для определения величины равновесной плавящей способности используют зависимость температуры замерзания раствора ПГР от суммарной концентрации (массовой доли) компонентов ПГР в этом растворе. Эта зависимость устанавливается экспериментально по нескольким точкам на основании кривой замерзания для растворов твердых ПГР или жидких ПГР, имеющих 0-100%-ную концентрацию. При этом для экспериментальных точек берут либо фактические значения массовой концентрации ПГР, либо их доли от исходной концентрации без ее количественного определения, а кривые замерзания снимаются в автоматическом режиме с использованием автоматизированной установки для определения начала кристаллизации разбавленных растворов.
t
Величину P равновесной плавящей способности можно рассчитать для любого значения температуры по расчетной формуле:
<mrow><msub><mtext>P</mtext><mtext>t</mtext></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mtext>c</mtext><mtext>o</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>c</mtext><mtext>t</mtext></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mtext>1</mtext></mrow>
,
o
где c - исходная концентрация химического вещества в растворе или в сухом реагенте [может быть взята за 1 (единицу) или 100%],
t
c - конечная - равновесная концентрация вещества в растворе после плавления льда или снега, соответствующая температуре замерзания раствора при рассматриваемых условиях [может быть выражена в долях единицы или процентах от 100% (массовых долях)].
Для построения кривых замерзания растворов ПГР определяют температуру начала кристаллизации разбавленных растворов образца в интервале концентраций от 1% до концентрации (массовой доли) исходного раствора или эвтектической концентрации для твердого реагента (100%-ного).
Температуру начала кристаллизации приготовленных растворов ПГР определяют по ГОСТ 18995.5-73 графическим методом (по кривой охлаждения, п.2.1).
При выполнении измерений значения равновесной плавящей способности выполняют ряд последовательных операций:
- помещают в криотермостат стеклянную пробирку с испытуемым раствором;
- перемешивают раствор со скоростью 60 оборотов в минуту;
- определяют температуру начала кристаллизации по положению первого горизонтального участка на кривой охлаждения (рис.2);
- операции повторяют с растворами ПГР с различными значениями массовой доли реагента в интервале от 0 до 100%, необходимо получить от 5-ти до 2-х (экспресс-метод для фиксированной температуры) экспериментальных точек.
Для обработки результатов измерений используют стандартную компьютерную программу Excel. После экспериментального определения температур начала кристаллизации разбавленных растворов ПГР с помощью программы строят кривую замерзания в координатах массовая доля ПГР - температура начала кристаллизации, кривую проводят через точку начала координат (0:0).
Примеры кривых замерзания получены для:
- раствора ПГР « КРЗтв.», являющегося твердым комбинированным реагентом на основе композиции карбоната кальция (мраморный щебень) формиата натрия (соль муравьиной кислоты) и хлорида натрия (пищевая соль) с добавлением хлоридов (кальция и калия), у которого массовая доля карбоната кальция - 20 - 50%; формиата натрия - 10 - 30%; массовая доля хлорида натрия - не более 50%; массовая доля хлоридов (кальция и калия)
- не более 20% по массе, соответственно,
- для жидкого ПГР на основе хлоридов кальция и натрия
- и для ПГР «МРтв» - твердого многокомпонентного реагента на основе композиции хлористого кальция с другими хлоридами (натрия и калия) и формиатом натрия) (см. рис.3, 4, 5).
В приведенных на рисунках уравнениях (полиномы 4-й степени) символом «у» обозначено значение равновесной концентрации ПГР, а «x»
- значение температуры замерзания раствора ПГР.
Предлагаемый способ имеет существенные технические преимущества по сравнению с прототипом, а именно имеет:
более высокую точность установления норм расхода ПГР благодаря более точному определению величины плавящей способности; по предлагаемому способу погрешность составляет не более ±12% во всем температурном диапазоне [-1-(-20)]°C;
возможность определения обоснованных норм расхода ПГР при их применении для предотвращения зимней скользкости, так как плавящую способность ПГР по предлагаемому способу устанавливают для всего периода действия ПГР, а не для 2-х часов, как в известной Методике;
возможность установления норм расхода ПГР для любого значения температуры в интервале от -1°C до -20°C без дополнительных погрешностей интерполяции, как в действующей Методике, выбранной в качестве прототипа;
возможность снижения негативной экологической нагрузки на почву придорожных полос и водные стоки ливневой канализации за счет предотвращения избыточного внесения хлористых солей, необходимое количество которых завышается существующей Методикой из-за занижения их плавящей способности вследствие ограничения по Методике периода действия ПГР 2-мя часами.