СМЕСОВОЙ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫЙ МАТЕРИАЛ
MIXED ANTI-ICING MATERIAL

Объект - продукт
Изобретение относится к коммунальному хозяйству, вопросам содержания транспортных магистралей и пешеходных зон в зимний период, экологии.
Противогололедные или антигололедные материалы (ПГМ) предназначены для борьбы с зимней скользкостью - снижение скольжения пешеходов и транспортных средств при отрицательных температурах или при положительных, когда не происходит интенсивного таяния замерзшей воды в условиях высокогорья [1-8.]
ПГМ возможно подразделить на:
- ПГМ, основанные на компонентах, снижающих температуру замерзания воды (КСТ). Данные ПГМ могут быть твердые или жидкие в основе их действия лежит принцип раствора, температура замерзания которого понижается по мере увеличения концентрации КСТ. К ним можно отнести ПГМ на основе хлоридов и ацетатов, натрия, кальция, магния, калия, мочевины, одноатомных и многоатомных спиртов. Иногда данный тип ПГМ называют СОЛЕВЫМИ ПГМ, поскольку именно соли используются в качестве КСТ наиболее широко. ПГМ с включением растворителей являются специфическими, дорогостоящими, используемыми ограничено, к примеру для аэродромов.
- АБРАЗИВНЫЕ ПГМ - продукты, вызывающие уменьшение скольжения, за счет увеличения коэффициента трения в результате механической модификации поверхности снега и льда. К ним можно отнести: песчаник (песок), отсев, гранитную крошку и даже иногда вулканический пепел.
- СМЕСОВЫЕ ПГМ, представляющие собой смесь АБРАЗИВНОГО ПГМ и КСТ. Из этой группы наиболее известным является песко-солевая смесь (смесь песчаника и технической поваренной соли - обычные соотношения от 80/20 до 60/40 - КСТ от 25 до 66% от массы песчаника), которая является единственным эффективным ПГМ при температурах ниже -25°С. СМЕСОВЫЕ ПГМ наносятся в количествах, обеспечивающих разрушение снего-ледяного слоя и перемешивания абразива со снего-ледяной «кашей».
Недостатками СОЛЕВЫХ ПГМ являются:
- необходимость нанесения в количествах, необходимых для полного таяния снега и льда, имеющихся на дороге, приводящая к высокой себестоимости обработки, высокой экологической нагрузке на природу;
- образованию солевых растворов, солевого аэрозоля при движении автомобилей, которые вредно влияют на здоровье человека, имеют коррозионную активность по отношению к металлам, дорожным покрытиям, зданиям, обуви;
- необходимость в частых, последовательных обработках, поскольку новый выпавший снег снижает концентрацию солевых растворов и может провоцировать химический гололед (замерзание разбавленных солевых растворов на поверхности дорожного полотна).
Недостатками АБРАЗИВНЫХ ПГМ являются:
- низкая удерживаемость на дороге, которая выражается в проскальзывании частиц ПГМ по дорожному полотну и по колесам а/м (частицы песка или гравия вылетают из под колес а/м, особенно в стартовом режиме);
- необходимость нанесения нового покрытия после каждой расчистки снега, поскольку АБРАЗИВНЫЕ ПГМ практически полностью счищаются;
- засоряемость сточных колодцев особенно при использовании крупных абразивов.
Недостатками СМЕСОВЫХ ПГМ в той или иной степени являются все, перечисленные выше для солевых и абразивных ПГМ.
В качестве прототипа авторами был выбран СМЕСОВОЙ ПГМ - общеизвестная механическая композиция песчаника и КСТ, в частном случае песко-солевая смесь.
Стандартно эта композиция представляет собой механическую смесь природного песчаника и КСТ - технической поваренной соли крупного помола. В некоторых регионах в качестве КСТ используют местное сырье типа сульфатов или бишофита (хлорид магния). Минимальное содержание КСТ в таких смесях не ниже 25% от массы песчаника [6, 7, 8].
Предлагаемый авторами вариант СМЕСОВОГ ПГМ (СПГМ) отличается:
- сокращением количества КСТ в смеси - не более 5% от массы песчаника;
- распределением КСТ в смеси - не отдельными частицами песчаника и солей, а нанесением солевого покрытия на частицы песчаника;
- принципом действия (фиксации) абразивных частиц - абразивный компонент прочно приклеивается (примерзает) к уплотненному снегу и льду, образуя устойчивое абразивное покрытие.
СПГМ представляет собой сыпучий материал, состоящий из частиц абразивного компонента (природного, сеяного, молотого песчаника) с покрытием, состоящим из КСТ или КСТ и активных добавок. При этом количество КСТ находится в пределах 0,5-5% от массы песчаника. Количества КСТ определяется температурой воздуха, при которой производится обработка, и в дальнейшем не зависит от ее изменений в области отрицательных температур. Оптимальное содержание КСТ 5-10% при температурах ниже -20°С, 3-5% при температурах от -10 до -20°С, 0,5-3% при температурах выше -10°С.
При нанесении такого СПГМ по уплотненному снегу и льду (рис.1 а) вокруг каждой частички абразивного компонента не происходит полного разрушения снего-ледяного слоя, а только местное первоначальное подтаивание снега и льда вокруг частиц песчаника (рис.1 б). По мере снижения концентрации КСТ в растворе за счет диффузии происходит быстрое последующее смерзание с эффектом образования устойчивого абразивного покрытия (рис.1 в), которое не проскальзывает между полотном дороги и колесами а/м, практически не счищается при последующих расчистках от выпавшего снега, не образует солевых луж, снего-солевой «каши», солевого аэрозоля. Низкая концентрация КСТ позволяет уменьшить экологическую нагрузку, использовать в качестве КСТ минеральные удобрения (пример 5), которые не вредят растениям (обработка садово-парковых зон). Изменение принципа фиксации абразивного компонента на дороге, по сравнению с классическими СПГМ, позволяет эффективно использовать мелкие фракции природного песчаника или молотый песчаник (пример 2), что уменьшает возможность засорения стоков в городах. По окончании зимнего периода мелкие фракции легко смываются с дорог осадками и уносятся канализационными водами.
Нанесение оболочки (покрытия), содержащей КСТ, на частицы песчаника возможно различными способами (высаживание на поверхности из раствора, опудривание, с последующей фиксацией и т.п.). При этом важен лишь конечный результат-наличие самого покрытия вне зависимости от его равномерности (прерывности) на поверхности частиц, что подтверждают данные приведенные в примере 6.
Физико-химические свойства СПГМ, а именно коррозионные свойства по отношению к металлам и механические свойства СПГМ - устойчивость покрытия при механическом перемешивании, могут быть изменены путем введения активных добавок на основе ингибиторов коррозии и гидрофильных полимеров.
В качестве ингибитора коррозии используют, например, метилсиликат натрия, бензоат натрия (пример 4); в качестве гидрофильного полимера - водорастворимый модифицированный крахмал (пример 5), а также катионные полимеры, обладающие ингибирующими свойствами (полиакрилаты, декстрины).
ПРИМЕР 1
Материалы и оборудование:
а) Миниплатформа, представляющая собой металлическую пластину диаметром 10 см, толщиной 5 мм, с наклеенной снизу резиновой пластиной того же размера и толщиной 7 мм, сгружена сверху гирей 1 кг. Общая масса миниплатформы 1167,6 г.
б) Тензодатчик до 1 кг, калиброванный с точностью до 0,1 г
в) Капроновая нить, соединяющая миниплатформу и тензодатчик
г) Отсев песчаника между ситами 0.1 и 0,3 мм (ПГМ). Расчищенная скребком от снега поверхность замерзшего пруда. Температура окружающего воздуха -5°С. На данную поверхность наносили СПГМ (ПГМ) на основе вышеуказанного песчанка из расчета 80 г на кв. м. Коэффициент трения измеряли по отношению силы трения при горизонтальном сдвиге со скоростью 5 см/сек к силе давления на горизонтальную поверхность. Результаты по среднему значению из 10 измерений представлены в табл.1.
Табл. 1Коэффициент трения резины по льду после обработки противогололедными реагентами
№
Противогололедный материал
КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ
через 1 час
через 3 часа часов (незначительное выпадение снега - до 2 см)
через 48 (-8°С, после повторной расчистки от выпавшего снега)
1
нет
0,05
0,07
0,04
2
ПГМ (песчаник)
0.41
0,45
0,11
3
Классический СПГМ-смесь ПГМ и технического хлористого натрия в соотношении 70/30
0,33
0,25
0,15
4
СПГМ, имеющее покрытие из хлористого натрия - 3% от массы ПГМ
0,55
0,48
0,41
Анализ результатов табл.1 показывает, что ПГМ на основе песчаника без солевого компонента достаточно эффективен при первоначальном применении и при незначительном выпадении снега, однако при движении по поверхности и после повторной расчистки резко уменьшает параметр коэффициента сцепления.
Классический СПГМ (70/30) менее эффективен на толстом льду, даже по сравнению с ПГМ и также резко уменьшает коэффициент сцепления после повторной расчистки. СПГМ проявляет максимальную эффективность - образуя прочное абразивное покрытие, которое не счищается скребком при повторной расчистке и в значительной степени сохраняет свои свойства.
ПРИМЕР 2
2
Горизонтальный участок автомобильной дороги расчищен от рыхлого снега щеточной снегоуборочной машиной, имеет покрытие из уплотненного снега и льда. Температура окружающего воздуха -1°С. Произведена обработка половины участка СПГМ, представляющего собой молотый песчаник с размерами частиц от 0,01 до 0,1 мм с покрытием на основе калийной селитры (нитрат калия) в количестве 0,5% от массы песчаника из расчета 90 г/м. Легковой автомобиль массой 900 кг, с водителем массой 80 кг, не оснащенный системой АБС, разгоняется до 30 км/час и осуществляет экстренное торможение с блокировкой колес на необработанном и обработанном участках. Данные представлены в табл.2.
Табл.2Тормозной путь а/м на обработанном и необработанном участках
УЧАСТОК дороги
ТОРМОЗНОЙ ПУТЬ при 30 км/час (м)
Необработанный участок.
13,5 (-1°С)
14,5 (-4°С)*
Обработанный участок СПГМ 0,01-0,1 ммкалийная селитра 0,5%
4,7 (через 1 час после обработки при -1°С)
5,5 (-4°С)*
*) Через сутки после последующей расчистки от выпавшего снега.
ПРИМЕР 3
2
Горизонтальный участок автомобильной дороги расчищен от рыхлого снега щеточной снегоуборочной машиной, имеет покрытие из уплотненного снега и льда. Температура окружающего воздуха -28°С. Произведена обработка половины участка СПГМ, представляющего природный песчаник с размерами частиц с покрытием на основе хлорида кальция в количестве 10% от массы песчаника из расчета 70 г/м. Легковой автомобиль массой 1100 кг, с водителем массой 90 кг, оснащенный системой АБС, разгоняется до 30 км/час и осуществляет экстренное торможение на необработанном и обработанном участках (при торможении работает система АБС). Данные представлены в табл.3.
Табл.3Тормозной путь а/м на обработанном и необработанном участках
УЧАСТОК дороги
ТОРМОЗНОЙ ПУТЬ при 30 км/час (м)
Необработанный участок.
8,5 (-28°С)
7,5 (-15°С)*
Обработанный участок СПГМ на основе природного песчаника, хлорид кальция 5%
3,3 (через 1 час после обработки при -28°С)
4,0 (-15°С)*
*) Через 3 суток после последующей расчистки от выпавшего снега.
ПРИМЕР 4
Исследованы образцы (1 и 2) СПГМ на основе природного песчаника с покрытием из хлористого натрия- 4,5% от массы песчаника на предмет коррозионного воздействия на черный металл - сталь СтЗ. В состав оболочки частичек песчаника в образце 2 дополнительно включены:
- метасиликат натрия 5 водный - 0,1% от массы песчаника
- бензоат натрия - 0,1% от массы песчаника.
100 г исследуемых образцов заливали 1 л дистиллированной воды, перемешивали 10 минут. В полученные растворы (экстракты) подвешивали пластинки из СтЗ, толщиной 0.5 мм, размером 50×50 мм, которые предварительно взвешивали до 4 знака после запятой.
Через 100 часов выдержки при 20°С, пластинки извлекали, промывали под струей воды, очищали синтетической щеткой от налета, сушили при 60°С. Потеря массы для образца 1 составила 0,02%, для образца 2 менее 0,001%.
ПРИМЕР 5
В качестве реагента применили СПГМ на основе молотого просеянного песчаника с размерами частиц от 0,05 до 0,1 мм с покрытием оболочкой на основе смеси (от массы песчаника):
- нитроаммофоска 2%
- карбамид 2%
- метасиликат натрия 5 водный 0,2%
- крахмал модифицированный 0,4%.
2
Указанным реагентом была обработана пешеходная дорожка в парке, из расчета 70 г/м.
Эксперимент проводился в течение 5 дней в январе месяце 2011 года в г.Подольске, Московской области, при пешеходной нагрузке приблизительно 20 чел./час с 8 до 17 часов.
Измерения коэффициента трения проводили с использованием оборудования и по методу, изложенному в примере 1, после расчистки пешеходной дорожки метлами. Результаты представлены в табл.4.
Табл.4Коэффициент трения резины по льду после обработки СПГМ
1 (-6°С)
2 (-5°С)
3 (-10°С)
4 (-12°С)
5 (-7°С)
6 (-7°С)
Необработанный участок
0,1
0,1
0,08
0,08
0,1
0,1
Обработанный участок
0,73
0,64
0,61
0,50
0,43
0.33
Поверхность дорожки после расчистки имела выраженный шероховатый характер, эффект скольжения обуви не наблюдался в течение всего времени проведения эксперимента.
ПРИМЕР 6
В качестве образца для исследований был выбран отсев песчаника между ситами 1 и 5 мм. Методом опудривания с последующей фиксацией увлажнением были получены образцы СПГМ с содержанием хлористого натрия в количестве 0,5 и 10% от массы сухою песчаника. Микрофотографии частиц были получены в поле зрения микроскопа МБС-1 при увеличении 25-Х (Рис.2-4). Как видно из фотографий, поверхность частиц исходного необработанного песчаника (рис.2) имеет гладкий характер с кавернами естественной природы. В случае СПГМ с хлористым натрием (рис.3), на части гранул образуется покрытие, имеющее прерывистый, точечный характер, на части оно сплошное, однако в поле зрения практически не наблюдаются незафиксированные частицы КСТ.
2
СПГМ с содержанием 0,5% хлористого натрия (рис 3) был нанесен на ледяной участок при температуре окружающего воздуха -4°С в количестве 60 г/м. Коэффициент трения резины через 1 час после применения составил 0,71, против 0,15 на необработанном участке, что свидетельствует об эффективности СПГМ, даже в случае минимального содержания КСТ.
Список литературы
1. В.П.Подольский, Т.В.Самодурова, Ю.В.Федорова. Экологические аспекты зимнего содержания дорог.: ВГЛСА. - Воронеж, 2000. - 152 с.
2. Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. - Введ. 2003-16-06. - М.: 2003. - 72 с.
3. А.П.Васильев, В.М.Сиденко Эксплуатация автомобильных дорог и организация дорожного движения. Транспорт. - М., 1990. - 304 с.
4. Зимнее содержание автомобильных магистралей.: обзор ин-форм. М., 1985. - 65 с. - (ЦБНТИ МИНАВТОДОРа РСФСР; вып.4).
5. Попов В.А. Проблемы зимнего содержания автомобильных дорог. Автомобильные дороги. - 1991 - №9. - с.1-3.
6. Г.Л.Карабан, В.Б.Ратинов. Борьба со снежно-ледяными образованиями на дорогах с помощью химических реагентов. СТРОЙИЗДАТ. - М., 1976. - 80 с.
7. Противогололедные реагенты и их влияние на природную среду под ред. Л.Ф.Николаевой. - М., 1998. - 60 с.
8. Требования к противогололедным материалам. - Введ. 2003-16-06. - М.: МИНТРАНС РФ, 2003. - 17 с.