Антигололедные реагенты - средства борьбы с обледенением.

Возникновение гололеда на автомобильных дорогах.

В зимний период на автомобильных дорогах резко возрастает число столкновений транспортных средств, а также количество других аварийных ситуаций из-за слоя снега и/или льда.

На поверхности дорожной одежды в зависимости от погодных условий (температура воздуха, осадки, влажность, скорость ветра) зимой образуются:

• рыхлый снег (плотность 0,06 - 0,20 г/см3, коэффициент сцепления 0,20);
• уплотненный снег или накат ( плотность 0,30 - 0,60 г/см3, коэффициент сцепления 0,10 - 0,25);
• стекловидный лед (гололед) - пленка (толщина до 3 мм) или корка льда (толщина до 10 мм) с коэффициентом сцепления 0,08 -0,15.

Гололед возникает при сочетании относительной влажности воздуха 85-95%, температуры воздуха от -1°С до -6°С, температуры дорожного покрытия менее 0°С . Критической температурой воздуха для появления гололеда является нулевая, а наиболее опасен перепад температур от -2° до +2°С [Борьба с гололедом..., 1969], так как в этих условиях изменяется тормозной путь и повышается опасность возникновения дорожно-транспортных аварий.

Статьи расходов на борьбу с зимней гололедицей составляют существенную часть бюджета на содержание автомобильных дорог. Например, во Франции годовой расход солей по стране достигает 1,2х106 млн. тонн и постоянно растет. Для планирования бюджетной статьи по борьбе со снегом и льдом было создано государственное агентство, информирующее общественность и Дорожный департамент Франции о состоянии дорог в период с ноября по март. Это агентство отслеживает дорожную ситуацию на 8500 км транспортных коммуникаций, 28500 км национальных дорог, 365000 км дорог в департаментах и 560000 км коммунальных дорог. Концессионное объединение "АSF", в подчинении которого находятся 1800 км магистралей страны, обеспечивает безопасность их в зимнее время по собственной методике, позволяющей статистически обосновывать количество требуемой дорожной техники и антигололедных реагентов. В частности, объединением разработано устройство, позволяющее точно дозировать реагенты по дорожному полотну (точность дозировки достигает 3 г/м2 пои ширине распределения до 14 м).

В США зимнее содержание автомобильных дорог обходится в 1,5 млрд. долларов в год, включая стоимость уборки, посыпки, использования технических солей и т.п. Но в любом случае стоимость зимнего содержания без применения противоледных реагентов более чем в три раза выше стоимости содержания с их применением. Однако, есть данные о том, что показатели температуры воздуха, количества осадков, морозных дней в году, дней, когда отмечались формирование льда и снегопады, а также высота снежного покрова (т.е. комплекс погодных факторов) связаны прямой корреляционной зависимостью с потребностью в технической соли. Это позволяет разрабатывать прогнозные модели затрат на хлориды в зимний период. Например, существует математическая модель процессов образования различных видов зимней скользкости, позволяющая на основании конкретных данных (температура дорожного покрытия, тепловой баланс, теплопроводность покрытия) получить прогноз возможного образования льда и гололеда на покрытии зимних дорог. Заблаговременность прогноза, равная трем часам, достаточна для профилактической обработки дорожной одежды хлоридами в количествах 5 - 10 г/ м.

Физико-химические процессы, сопровождающие взаимодействие технической соли и снежных отложений.

Как мы видим, для повышения безопасности движения транспортных потоков в зимний сезон в основном применяются такие неорганические соединения как хлориды натрия, кальция и др. По техническим требованиям эти вещества должны иметь крупность частиц от 1,2-4,5 NaCl, (молотая соль) до 10мм (сильвинитовые соли), что, очевидно, облегчает их растворение на мокром покрытии и поступление вместе с талой водой в придорожную зону (табл. 1-1).

Положительный эффект добавления технической соли состоит в том, что она изменяет состояние снега - от сухого до мокрого; таяние сне га и льда на дорожном покрытии под действием соли влечет за собой увеличение его оводненности и повышенное образование снежной слякоти. Для движения транспортного потока разбрызгивание мокрого снега более безопасно, чем образование наледей. С другой стороны, "смачивание" снега существенно ускоряет его уп лотнение и превращение в лед, т.к. сжимаемость мокрого снега значительно больше, чем сухого. Плотность пропитанного водой снега зависит от содержания в нем жидкой воды, концентрации соли и от нагрузки колес транспортных средств. Наличие водоотвода с дорожного покрытия и большого количества ионных примесей делает снег более устойчивым против уплотнения (рисунок 1-1).

Видно, что при концентрации соли 10^-3 г-моль NaCl/кг рас твора уплотнение происходит наиболее быстро, а с увеличением засоленности интенсивность уплотнения снижается.

Принцип действия противогололедных реагентов

Таким образом, хлорид, нанесенный на снежно-ледяной слой, разрушает его, сначала образуя пленку соляного раствора, отделяющего лед от покрытия, а затем расплавляя лед. При разрушении (плавлением) кристаллических структур снега и льда хлоридами выделяется (Хлористый кальций: СаСl +162,2 кал/г) и/или поглощается (Хлористый натрий: NаС1 -20,5 кал/г) тепло. При этом наибольшей поглотительной теплотой растворения характеризуется хлорид магния (+378,1 кал /г). Количество требуемой технической соли зависит от температуры воздуха и плотности льда, также зависящей от температуры. Например, 1 г сухого хлористого натрия плавит 33 г льда при температуре -1,8°С, 9,4 г при температуре -6,4°С и не более б г при температуре ниже -10СС.

Как показали исследования, такая способность технической соли предупреждает сцепление снега с дорожным покрытием.

Разработана модель, позволяющую учитывать влияние антигололедных реагентов на величину коэффициента сцепления шин автомобиля с поверхностью дорожной одежды. В основе модели лежат три основных положения:

1. тонкая пленка образовавшегося раствора соли отделяет лед от дорожного покрытия;
2. концентрированный раствор соли, всегда располагающийся вблизи покрытия, расплавляет лед и тем самым нарушает контакт между ним и покрытием;
3. раствор соли имеет самую высокую концентрацию в начальный период действия хлоридов.

Толщину пленки можно определить в любой момент времени испарения (по формуле Мортимера), концентрация раствора соли, вид химического противоледного реагента и атмосферные условия (скорость ветра, относительная влажность, температура воздуха) известны. В результате было показано, что:

• минимальный коэффициент сцепления и максимальный период просыхания характерны для дорожных покрытий, обработанных растворами МgС12 – (хлористый магний) и СаСl₂ (хлористый кальций), время испарения которых в 2,6 и в 3,4 раза соответственно больше, чем раствора NаС1 (хлористый кальций);
• величина коэффициента сцепления уменьшается при увеличении концентрации солевого раствора: на покрытиях, обработанных высококонцентрированными (30% и более) реагентами, она может быть в два раза больше, чем на дорожном покрытии, увлажненном чистой водой;
• на гладких покрытиях коэффициент сцепления достигает недопустимых с точки зрения безопасности движения значений -< 0,28;
• наиболее экономичным и эффективным является применение твердого хлорида натрия и технической смеси солей натрия и кальция.

Сцепные качества дорожных покрытий связаны и со скоростью движения автотранспортных средств. Оказалось, что нанесение на обледенелую поверхность дороги пескосоли – смеси песка с солью позволяет повысить средние скорости движения автотранспортных средств на льду - на 9-11 км/ч и на снегу - на 4-9 км/ч. В случае же полного таяния снега или льда хлоридами соли, скорость движения автотранспортных средств по сравнению со скоростью движения по снегу и льду увеличивалась в среднем на 12-16 и 15,5-21,5 км/ч соответственно. Возможности "регенерации" скорости движения с помощью хлоридов на дорогах разной технической категории иллюстрирует рисунок.

Нормы использования соляных смесей - хлоридов в разных странах

Таким образом, обзор проблемы зимнего гололеда позволяет оценить, насколько она серьезна для безопасности движения транспортных потоков и экономики отрасли.

В Европе применение антигололедных реагентов и хлоридов натрия, кальция и магния началось - в Швеции с 1947 года, в Великобритании с 1960 года .

В Российской Федерации для борьбы с гололедом и обледенением стали впервые использовать соль техническую в 1966г.. добавляя к песку хлориды натрия и кальция в количестве 2% по весу. Судя по литературным данным, до середины 60-х годов на территории СССР применение чистых технических солей на дорогах почти не практиковалось - в зимний период использовали только фрикционные противоледные материалы в смеси с солью или без нее. Но это недостаточно увеличивало коэффициент сцепления. В лабораториях СоюзДорНИИ при сравнении плавящей способности соли технической установили, что наибольший эффект при соответствующей температуре дает применение МаС1, порошкообразного СаСl2 и их антиледные смеси. На основании полученных данных была разработана новая технология использования химических противоледных реагентов и предложены соответствующие нормы применения соли.

Инструктивными документами [Борьба с гололедом..., 1969:] по технологии очистки и удаления льда и снежных заносов с дорожных покрытий с применением хлоридов натрия и кальция запрещалось применять последние на тех улицах, где снег складируется на открытый грунт под зеленые насаждения, а на озелененных улицах применение хлоридов вообще считается нецелесообразным [Александровская, 1989]. В этих документах специально оговаривалась необходимость предварительного полного ремонта дорожных покрытий перед употреблением солей и песчано-солевых смесей (пескосоли).

Нормы применения соли технической зависят от технологии работ, дорожных условий и погодной обстановки. Например, для второй дорожно-климатической зоны (т.е. зоны избыточного увлажнения) верхняя граница для применения противогололедных реагентов 2 кг/м-покрытия [Проектирование..., 1989].

Во время снегопадов технология зимнего содержания автодорог предусматривает периодичность применения хлоридов натрия, магния и кальция; при этом суммарная доза технической соли на 1 м2 поверхности дороги может приближаться к предельной (200-300 г при образовании наката, 15 г/м2 при 1° до -6°С; 25 г/м2 - ниже -6°С; до 35 г/м2 до -20°С и ниже за цикл при неопределенном количестве таких повторяющихся циклов вплоть до окончания снегопада). В любых условиях указывается на необходимость тщательной дозировки, должного хранения противогололедных средств и использование антигололедных реагентов лишь на особо опасных участках дорог.

Инструкция ВСН, кроме того содержит указания на предпочтительное использование хлорида кальция или природных рассолов и пескосоляных смесей, мотивируя это тем, что последние ''...содержат 50 микроэлементов, улучшающих свойства почвенно-растительного покрова и снимающих прессинг со стороны действия NaCl (хлористого натрия). По мнению авторов "Инструкции...", наиболее безопасным антигололедным реагентом может быть мочевина (карбамид). Это мнение поддерживают европейские и американские исследователи, считающие соль кальция и магния более экологична для живых организмов и почвы, в противоположность соли натрий (хлористый натрий).

В Беларуси основным химическим реагентом для борьбы с гололедицей служат галитовые отходы Солигорских калийных комбинатов, содержащие 91% NаС1, 4,5% КС1, 1,2% СаSОз, 0.3% МgСl и 4-6% механических примесей. Эти отходы смешивают с песком (песчано-солевая смесь) в отношении 1:1 - 1:4 и используют до температуры воздуха -15oС, а при более сильных морозах применяют фрикционные материалы с 3-5% отходов. В связи с тем, что Беларусь районирована по зонам, различающимся условиями борьбы с гололедицей, специалисты дорожного хозяйства пользуются региональными нормами потребности в отходах: при минимальной плотности применения антигололедных реагентов: 100 г/м2 для распределения 20 г/м2 галитовой соли необходимо приготовить пескосоль - пескосоляную смесь их с песком в соотношении 1:4, для 50 г/м2 - 1:1 (табл. 1-6).

Единого норматива на применение технический противоледных хлоридов не существует: в Скандинавских странах (табл. 1-5) количество технической соли на м2 - от 6 до 10-20 г. а в районах с сильными снегопадами - до 40 г. В Италии, Франции, Бельгии применяют раствор хлористого кальция СаСl2 в количестве 5 г/м2. в Германии – песчано-солевую смесь МgСl2 (до 10 г/м2).

В 70-х годах в европейских с 1 ранах (Швейцария, Австрия, Франция, Германия) проводился широкомасштабный эксперимент с асфальтобетонными противоледными смесями, содержащими хлористый кальций (ХККМ), что не позволяет образовываться "черному" льду (лед с продуктами износа шин). В США испытывали асфальтобетонные покрытия с добавлением двуокиси титана, различных смол, силикона, гудрона, резины (Кук, 1986].

На тех участках, где технической соль не применяется совсем, дорожно-транспортные происшествия носят менее серьезный характер, хотя стоимость такого бессолевого содержания дорожного полотна очень велика. Однако как показали шведские исследования, применение антигололедных реагентов для содержания автодороги значительно снижает время ее жизни: износ засоленных покрытий на 70% выше.

Физические и химические методы борьбы с зимней скользкостью на дорогах

Помимо альтернативных химических способов борьбы с гололедом, существуют и более экологичные, например, обогрев покрытий дорог снизу теплоносителями (горячая вода, воздух) или источниками тепла (газ, ток) через обогревающие решетки, снабженные датчиками, что практикуется в Германии (ФРГ). Англии. Швейцарии, Австрии, Дании, Швеции [Методы защиты покрытий дорог и улиц..., 1976]. На территории США действуют установки по обогреву покрытий в зимний период естественным теплом Земли, законсервированным в летний период. Авторы таких разработок предлагают использовать энергию Солнца, ветра и температуру воздуха в летний сезон как экологически чистые источники энергии для ухода за автодорогами в зонах, подверженных действию близких к нулю зимних температур (эти зоны, как известно, являются зонами риска для дорожного движения).

Прошли лабораторные и полигонные испытания, но не нашли широкого применения в Европе, такие физические альтернативы антигололедных реагентов, как переменные электромагнитные поля, электролиз, ударные струи газа и жидкости .

Применение электро- и геотермального обогрева особенно практично на проезжей части мостов, где химические противоледные реагенты коррозируют механические железобетонные элементы конструкций.

Появление наледей и гололеда на дорогах можно предотвратить искусственным промораживанием грунта в основании дороги. Для этого до наступления зимы в зонах риска (например, под опорами мостов) в скважины 1,5x1,5 м в зависимости от характера грунта закачиваются антигололедные солевые смеси СаСl₂, NaC1 или _МgСl2 с добавлением жидкого стекла или йодистого серебра, которое вызывает образование силикагелеи или затвердение рассолов при положительных температурах. В северных районах с большой продолжительностью периода солнечной радиации, особенно во второй половине зимы, возможно зачернение снега и льда углем, шлаком или черноземом (5-10 тонн/км2 поверхности), а также применение методов биотехнологии (например, выращивание водорослей непосредственно на льду).

Итак, концентрация хлоридных солей, применяемых для решения обсуждаемой проблемы, регламентируется, причем достаточно низкими величинами. Однако, недостаточно жесткое соблюдение правил технологии и режима уборки снежно-ледяной массы с проезжей части, а также дозировки применения соли технической, повторяющееся от сезона к сезону, в конечном счете губительно сказывается на природной среде.

Резюме

Несмотря на экономическое преимущество химических методов борьбы с гололедом и снежно-ледовыми отложениями на поверхности дорожной одежды перед физическими и только фрикционными. на сегодняшний день эти методы представляют реальную экологическую проблему. Применение соли на дорожном покрытии существенно уменьшает опасность образования наледей, повышая тем самым безопасность движения и среднюю скорость транспортного потока. Именно это в практике дорожного хозяйства определяет и оправдывает применение противоледных хлоридов и пескосоляных антигололедных смесей. Однако, даже небольшое количество технической соли, накапливаясь в течение многих лет в придорожной зоне, оказывают отрицательное воздействие на состояние природной среды, заставляя ведомства отрасли разрабатывать природоохранные нормативы применения химических противогололедных реагентов. В настоящее время наиболее распространено применение хлорида натрия (в твердой и жидкой формах), хотя кальциево-магниевые соли экологически более безопасны.