Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор вопросов зимнего содержания автомобильных дорог 17
1.1 Анализ эффективности применения противогололедных материалов 17
1.2 Проблемы образования и предупреждения зимней скользкости на мостовых сооружениях 29
1.3 Возможности применения систем метеообеспечения при распределении противогололедных материалов 31
1.4 Проблемы нормативно-методического обеспечения зимнего содержания автомобильных дорог 35
1.5 Анализ зарубежных методов экологического мониторинга придорожной полосы автомобильной дороги (обзор дорожной литературы США
и Канады) 39
1.6 Постановка задач исследований 52
ГЛАВА 2 Разработка научно-методического обеспечения применения технологий и материалов для зимнего содержания автомобильных дорог 54
2.1 Особенности применения чистых гранулированных противогололедных материалов на основе хлористого кальция 54
2.2 Теоретические и правовые основы применения чистых противогололедных материалов на основе хлоридов кальция и натрия 59
2.3 Модель взаимодействия гранулы противогололедного материала на поверхности снежно-ледяных отложений 82
2.4 Применение моделей мгновенного точечного источника теплоты 86
2.5 Выводы по главе 2 з
Глава З Экологический мониторинг распределения противогололедных материалов на автомобильных дорогах 96
3.1 Химический анализ образцов почв и снега, отобранных с придорожной полосы автомобильных дорог г. Саратова и Энгельса 96
3.2 Вычислительные эксперименты по определению параметров линейной регрессионной модели влияния качественных доминирующих факторов на распределение противогололедных материалов 108
3.3 Выводы по главе 3 120
Глава 4 Практические результаты совершенствования технологий и материалов для борьбы с зимней скользкостью 121
4.1 Руководство по противогололедным работам с применением противогололедного материала нового поколения 121
4.2 Алгоритм управления распределением противогололедных материалов при зимнем содержании автомобильных дорог на основе метеоинформации 124
4.3 Сравнительные демонстрационные испытания противогололедных материалов на основе чистых хлоридов 130
4.4 Научное сопровождение разработки и производства материала для предварительного смачивания соли 139
4.5 Выводы по главе 4 142
Основные выводы и результаты 143
Список использованной литературы
- Проблемы нормативно-методического обеспечения зимнего содержания автомобильных дорог
- Теоретические и правовые основы применения чистых противогололедных материалов на основе хлоридов кальция и натрия
- Вычислительные эксперименты по определению параметров линейной регрессионной модели влияния качественных доминирующих факторов на распределение противогололедных материалов
- Сравнительные демонстрационные испытания противогололедных материалов на основе чистых хлоридов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в России продолжает оставаться актуальной проблемой высокая аварийность на автомобильных дорогах. Уровень смертности в результате автомобильных аварий составляет более 20 человек на 100 тысяч жителей, что существенно выше, чем в европейских странах. Эта проблема приобрела статус государственной важности. 17 октября 2005 г. распоряжением Правительства Российской Федерации была принята Федеральная целевая программа «Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012 годах».
Россия находится на территории, подверженной в зимний период воздействию холода, особенно при низких температурах. В это время возникает зимняя скользкость, связанная с замерзанием воды на поверхности дорожного покрытия или влаги из воздуха. Гололед, иней, рыхлый снег, уплотненный снег, снежный накат, уплотненные неровности приводят к увеличению сопротивления движению, расходу топлива, уменьшению коэффициента сцепления, скорости и пропускной способности автомобильных дорог, увеличению числа ДТП, человеческих жертв и порче грузов. Поэтому вопросам эксплуатации дорог в зимнее время придается важное значение.
На гололедоопасных участках коэффициент сцепления падает до 0,05-0,1 (при норме от 0,3 до 0,7). Резко увеличивается риск возникновения ДТП -аварий, столкновений, съездов на обочины. Опасности подвергаются не только водители автомобилей, но и пешеходы - много людей получают травмы. Чаще других страдают люди пожилого возраста и инвалиды.
Вопросами зимнего содержания автомобильных дорог занимались в Федеральном дорожном агентстве, МАДИ (ГТУ), ОАО «ГИПРОДОРНИИ», ФГУП «РОСДОРНИИ», ОАО «СОЮЗДОРНИИ», ОАО «КАЗДОРНИИ», ОАО «РОСДОРТЕХ», Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, СГТУ, ООО «Зиракс» и других организациях. Широко известны результаты исследований А. П. Васильева, Б. А. Дмитревского, М. В. Немчинова, П. И. Поспелова, И. Е. Евгеньева, Б. Б. Каримова, Т. В. Самодуровой, В. В. Столярова, Д. М. Хомякова, С. И. Романова, И. Г. Овчинникова, В. В. Иванова, Н. В. Борисюка, А. К. Киялбаева, Ю. В. Кузнецова, Б. Б. Анохина, Ю. Н. Розова, А. Т. Глухова и другие. Известны работы Массачусетского технологического института США, Центральной лаборатории дорог и мостов Франции, ученых и специалистов Финляндии, Швеции, Канады и других стран.
Применяемые при борьбе с зимней скользкостью компоненты противогололедных материалов (ПГМ) распределяются в почве, попадают в водоемы, на корни растений и являются источником негативного влияния на окружающую среду. Поэтому основная задача зимнего содержания (борьба с зимней скользкостью) и мониторинг распределения ПГМ являются актуальными.
Цель исследований: Повышение эффективности технологий зимнего содержания автомобильных дорог на основе использования низкотемпературных ПГМ, расширения и уточнения температурного диапазона их применения и снижения расхода.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Оценены теоретические, экономические и правовые возможности применения низкотемпературных многокомпонентных ПГМ на основе хлористого кальция.
Выявлены доминирующие параметры системы «ПГМ-дорога-среда», определяющие изменение уровня экологической безопасности придорожной полосы и безопасности дорожного движения при зимнем содержании автомобильных дорог.
Выявлены теплофизические механизмы взаимодействия низкотемпературных ПГМ на основе безводного хлористого кальция с проявлениями зимней скользкости. Составлена математическая модель, получено- аналитическое решение и проведен расчет процесса плавления льда под действием гранулы ПГМ с учетом модели точечного мгновенного источника теплоты для стационарного и нестационарного режимов.
На основании применения корреляционно-регрессионного анализа распределения ионов натрия, кальция, магния и хлора в отобранных пробах снега и почвы на основе влияющих качественных факторов установлен характер функционирования придорожной полосы автомобильной дороги в виде ионно-обменного коммуникатора.
Разработана концепция сравнительных демонстрационных испытаний ПГМ для зимнего содержания автомобильных дорог.
На защиту выносятся:
Научно-методическое обеспечение применения низкотемпературных ПГМ при зимнем содержании автомобильных дорог, разработанное на основе установленных теоретических, экономических и правовых возможностей их применения.
Теплофизические механизмы взаимодействия ПГМ на основе хлористого кальция с проявлениями зимней скользкости в виде модели «теплового сверла». Структура математической модели и расчет процесса плавления льда под действием гранулы низкотемпературного тепловыделяющего ПГМ на основе модели мгновенного точечного источника теплоты.
Многофакторная регрессионная модель распределения ионов хлоридов с учетом качественных показателей различной природы, содержательность которой проверяется соответствием знаков изменения весовых коэффициентов в модели и влияющих параметров в реальности.
Результаты корреляционно-регрессионного анализа распределения ионов натрия, кальция, магния и хлора в отобранных пробах, позволившие установить доминирующий влияющий фактор (сезон) и характер функционирования придорожной полосы автомобильной дороги в виде механизма ионно-обменного коммуникатора.
Результаты сравнительных демонстрационных испытаний ПГМ на основе хлоридов.
Практическая ценность и реализация результатов работы: разработан регламент оперативного выбора ПГМ на основе хлоридов с учетом текущей метеорологической информации. Проведены отбор проб и химический
анализ наличия ПГМ в образцах, взятых в снеге придорожной полосы, в отвалах, на поверхности и в почве автомобильных дорог г. Саратова и Энгельса, имеющих придорожную полосу. Выполнены сравнительные демонстрационные испытания ПГМ на основе хлоридов. Проведен мониторинг применения в г. Саратове низкотемпературных ПГМ.
Объект исследований: процесс взаимодействия ПГМ с проявлениями зимней скользкости и компонентами автомобильной дороги (дорожным покрытием, обочиной, придорожной полосой и др.).
Предметом исследования являются чистые низкотемпературные ПГМ на основе хлористого кальция.
Методы и средства исследований: методы содержания автомобильных дорог, методы обеспечения безопасности дорожного движения,. метеорологическое и метрологическое обеспечение, методы экологического мониторинга, методы и технические средства экспериментальных исследований и обработки статистических данных, методы демонстрационных испытаний и др.
Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается хорошим согласованием результатов теоретического и вычислительного моделирования с результатами практических и экспериментальных работ, проверкой полученных моделей с реальным изменением входных и выходных параметров, соответствием с методическими подходами в близких и смежных отраслях науки и техники. Исследование выполнено с учетом современных представлений о взаимодействии ПГМ на основе хлоридов с проявлениями зимней скользкости на дорожном покрытии, с применением современных методов научных исследований и информационного обеспечения.
Апробация. Основные научные положения и результаты работ докладывались и получили одобрение на Всероссийском научно-техническом семинаре «Совершенствование конструктивно-технологических решений при строительстве мостовых сооружений» (г. Саратов, 2005), Всероссийском научно-практическом семинаре «Новые технологии проектирования и устройства дорожных покрытий с шероховатой поверхностью» (Владимир, 2006), Международной научно-практической конференции «Разметка автомобильных дорог: инновации, техника, оборудование и материалы» (Саратов, 2007), 1-й и 2-й Всероссийских научно-практических конференциях «Актуальные проблемы проектирования автомобильных дорог и искусственных сооружений» (Санкт-Петербург, 2008, 2009), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы транспорта, обеспечение безопасности дорожного движения» (Пермь, 2008), Всероссийском научно-практическом семинаре «Современные стратегии зимнего содержания автомобильных дорог» (Санкт-Петербург, 2008), на круглом столе «Применение инноваций в строительстве, ремонте и содержании конструкционных элементов мостовых сооружений (Санкт-Петербург, 2009), в научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета, заседаниях научно-технического совета ФГУП «РОСДОРНИИ» и кафедр «Мосты и транспортные сооружения» и «Строительство дорог и организация движения» СГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ (из общего числа 25 работ), в том числе 3 - в изданиях, определенных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 163 наименований и приложений. Работа изложена на 164 страницах.
Проблемы нормативно-методического обеспечения зимнего содержания автомобильных дорог
В качестве материалов, повышающих коэффициент сцепления, применяют на протяжении многих лет песок, дробленый каменный материал, мелкий гравий, щебень, его отсев, топочный шлак или каменноугольную золу, золы уноса теплоцентралей. Исследования показали, что материалы с окатанными частицами не обеспечивают хорошего сцепления колеса с дорогой. Крупные частицы (более 5 мм) при распределении из пескоразбрасывателя могут нанести ущерб пешеходам и встречным автомобилям. Поэтому частицы не должны быть более 6 мм. Этим объясняется ужесточение нормативных требований Федерального дорожного агентства к размерно-механическим параметрам песка, из-за которых, например, Саратовская область вынуждена ввозить удовлетворяющий требованиям качества песок для зимнего содержания автомобильных дорог из других регионов [17, 104].
Применение фрикционного способа недостаточно эффективно даже при очень плотной посыпке 0,5-0,6 м3 на 100 м2. Сразу после посыпки коэффициент сцепления не превышает 0,15, в дальнейшем материал сдвигается колесами транспортных средств с дорожного покрытия или сдувается ветром, уже через 15-20 минут коэффициент сцепления снижается до значений до распределения.
Добавление соли во фрикционный материал позволяет улучшить его сцепляемость со льдом [155]. Например, в Финляндии используют соленую мраморную крошку.
При добавлении соли к фрикционному материалу на его частицах появляются тонкие пленки высохшего рассола. Когда они попадают на обледеневшую поверхность, лед под ними начинает таять и частица погружается в лунку [155]. Концентрация рассола в ней по мере погружения частицы в лед и разбавлении рассола растаявшей водой уменьшается, при этом повышается температура замерзания рассола. После того, как точка замерзания солевого раствора сравняется с температурой воздуха, частица прочно смерзается со льдом. Другое важное положительное следствие смешения фрикционных материалов с солью - предохранение их от смерзания во время хранения [105].
Зарегистрированный автором типичный пример образования весной песчаного смерча из оставшегося песка на городских дорогах приведен на рис. 1.3.
Успешным шагом вперед по сравнению с применением фрикционных материалов стало применение химического способа борьбы с зимней скользкостью на основе применения различных солей и их комбинаций.
В 70-е годы прошлого века в отечественном дорожном хозяйстве начали применять соли в чистом виде (исследования ГИПРОДОРНИИ (ныне ФГУП «РОСДОРНИИ»), МАДИ [155]). Широкое распространение получили хлористые соли натрия (NaCl), кальция (СаС12) и магния (MgCl2). Температура замерзания их водных растворов ниже температуры замерзания воды. При россыпи соли по поверхности ледяного слоя начинается образование пленок рассола вокруг кристаллов соли и лед тает [80, 83].
Варианты химического способа: антигололедное и противогололедное распределение жидких ПГМ (рис. 1.4).
Пример противогололедной обработки жидкими хлоридами Характерный пример применения современных технологий зимнего содержания автомобильных дорог на основе применения смачиваемых хлоридов представлен на рис. 1.5. На фотографии изображены комплексная дорожная машина с емкостью для хлоридов, двумя емкостями для раствора хлористого кальция, применяемого для смачивания распределяемой соли, и точным дозатором, также представлены ленточный погрузчик хлоридов и пункт приготовления раствора хлористого кальция.
Распространенным примером стало использование на тракторах двух видов прицепных буксируемых устройств: валковых распределителей и тарельчатых разбрасывателей ПГМ (рис. 1.6, материал предоставлен ООО «Зиракс»). а б
Валковые распределители типов AM1600RS и AM2500RS с объемом бункера 1600 и 2500 л обеспечивают равномерное распределение ПГМ по заданной ширине 1500 и 2000 мм. Перемешивающие валы и регулируемое устройство обеспечивают требуемое дозирование ПГМ. Прицепной распределитель больше AM1600RS подходит для работы на пешеходных дорожках и тротуарах. Запас ПГМ в бункере рассчитан так, чтобы при стандартных нормах распределения его хватало на 10-15 км, что позволяет эффективно эксплуатировать это оборудование в городах, парках, площадках вокруг крупных торговых центров, стадионов, грузовых терминалов, больших открытых парковках и других местах.
Самозагружающиеся распределители AMSL300/500/800/1300 подходят для работ по предупреждению зимней скользкости там, где следует быстро реагировать и производить работы малым числом техники. Бункер-распределитель устанавливается вместо стандартного ковша фронтального погрузчика и при малой стоимости позволяет осуществлять необходимую работу в оперативном режиме. Количество ПГМ легко дозируется, вращающиеся внутри бункера валы позволяют разбивать смерзшиеся комки.
Теоретические и правовые основы применения чистых противогололедных материалов на основе хлоридов кальция и натрия
Для больших рек корреляция с распределенной на автомобильной дороге солью наиболее слаба из-за фактора большого ослабления воздействия, связанного с речным объемом стока. Меньшие по объему потоки и ручьи с придорожной полосы будут более подвержены засолению. Величина воздействия зависит от скорости течения в водоеме, интенсивности засоления, осаждения, системы дренажа автомобильной дороги, схемы рельефа и состояния естественного почвенного дренажа.
При изучении экологического состояния ручьев и водосборов в штатах Иллинойс и Нью-Йорк найдены максимальные концентрации хлорида натрия, которые превысили 500 мг/л в конце зимнего сезона и в начале весеннего таяния снега. Напротив, результат влияния количества распределенных ПГМ на участках автомобильных дорог на изменение уровня хлорида натрия в семи реках штата Мэн был компенсирован увеличенным водным потоком во время весеннего снеготаяния.
В большинстве исследований установлено, что концентрации соли уменьшаются с увеличением водного объема и расстояния от автомобильной дороги. Следовательно, маленькие потоки и ручьи, текущие вблизи автомобильных дорог, будут подвержены воздействию ПГМ больше, чем большие потоки и реки.
Для озер и водоемов была найдена некоторая корреляция между характером засоления придорожной полосы и более высокой концентрацией хлорида натрия в озерах и водоемах. Однако, в отличие от маленьких потоков и ручьев, водоемы и озера отличаются сложностью водного режима, например, источниками подземных вод, что увеличивает растворение и усложняет определение источников хлорида натрия. Например, концентрации хлорида натрия в малых водоемах придорожной полосы в штате Мэн изменились от 5 до 100 мг/л по причинам, лишь частично связанными с дорожным использованием соли.
В настоящее время в штате Мен усилено внимание к природоохранным мероприятиям в районе озера Себаго, являющемся основным источником питьевой воды для городов Портланд и Южный Портланд. На протяжении автомобильной дороги, проходящей в непосредственной близости от озера построена система фильтрационных водоприемников стоков с автомобильной дороги, фильтрационный грунт с которых периодически удаляется и заменяется новым. Уровень засоленности озера приблизился в настоящее время к критическому, и превышение засоленности потребует строительства очистного сооружения. Поэтому правительством штата поставлена задача обеспечения безопасности озера Себаго от воздействия стоков с автомобильных дорог.
Определение источников хлорида натрия в больших озерах более сложно из-за наличия многих индустриальных источников этого загрязнителя, особенно в городских районах. Концентрации хлорида натрия повысились в Великих озерах в течение всего двадцатого века; однако, не установлено, как это увеличение определило применение ПГМ, потому что изменение засоленности озер началось до их массового применения. Измерения на озере Джордж в штате Нью-Йорк и озерах в штатах Калифорния и Невада, больших сельских озерах в регионах с широкомасштабным использованием соли (например, для обработки автомобильных дорог к лыжным курортам) показали увеличение в воде концентрации хлорида натрия.
Воздействие концентрации соли в воде водоема от борьбы с обледенением автомобильной дороги на водные живые организмы перестает считаться незначительным. Минерализация в озере или водоеме снижается к его самому глубокому месту из-за более высокой плотности воды. Этот результат может уменьшить водное обращение и реаэрацию на больших глубинах, что может привести к потере растворенного кислорода и повышенной смертности организмов, населяющих водоем. Увеличенное перераспределение минеральных веществ в поток или на глубину водоема обычно увеличивает весенний и летний рост водорослей и может поглотить растворенный кислород.
Подземные воды получают соль со стоками с автомобильных дорог несколькими способами. Сток от дороги может течь в необлицованные канавы и инфильтровываться в окружающую почву. Когда сугробы тают вместе с распределенной солью, соли могут мигрировать через почву в горизонт грунтовых вод. Водоснабжение населения часто происходит на основе использования подземных источников. Поэтому важно обсуждение механизмов транспортирования и последствий влияния ПГМ, попавших в подземные воды, на здоровье населения.
Воздействия соли на растительность и воду связаны с ее движением через почву придорожной полосы. Проникновение соли в почву зависит от разнообразия факторов на данном участке. Самые высокие концентрации соли в почве найдены вблизи полотна автомобильной дороги. Когда соль транспортируется стоком, расстояние перемещения обычно зависит от местных особенностей и условий, типа наклона обочины, направления и типа системы дренажа, вида почвы, растительного покрова, присутствия и количества снега.
Транспортирование соли через почву достаточно медленно и зависит от дренажа и характеристик почвы. Песок, гравий и груботекстурированная почва позволяют быстрое проникновение, тогда как глина замедляет проникновение. Ионы хлора перемещаются через почву быстрее, чем ионы натрия. Ионы хлора отрицательны и отторгаются также отрицательно заряженной глиной и другими почвенными частицами. Ионы натрия, которые являются положи-тельными, подвергаются ионному обмену с другими положительными ионами в почвенных частицах, который характерен задержанием более высоких процентов натрия в почве, особенно если проникновение медленно.
Вычислительные эксперименты по определению параметров линейной регрессионной модели влияния качественных доминирующих факторов на распределение противогололедных материалов
Для повышения эффективности таяния льда и снега, снижения расхода солей, улучшения физико-механических свойств ПГМ (слеживаемость, гигроскопичность) создаются компактированные составы этих чистых солей. Состав из СаС12 и NaCl проникает в слой льда за 2 часа в диапазоне отрицательных температур до -33,5С значительно глубже, чем каждый из этих двух ПГМ самостоятельно (рис.2.1).
Этим самым в широком диапазоне отрицательных температур достигается совместный эффект, позволяющий повысить эффективность применения ПГМ при борьбе с зимней скользкостью и существенно снизить негативное воздействие на окружающую среду. Уменьшение в разы доли хлористого кальция снимают возражения о значительном увеличении вязкости раствора и негативном снижении коэффициента сцепления.
Установлено, что растворение СаС12 происходит значительно быстрее, чем растворение NaCl [99]. Причина в том, что безводный СаС12 одновременно гигроскопичен и быстро растворим в поглощаемой из воздуха влаге (СаС12 при температуре воздуха от 0С до -9С абсорбирует влагу уже при относительной влажности воздуха 42 % и выше, в то время как NaCl начинает абсорбировать влагу только при относительной влажности 76 % и выше). СаС12 в твердом состоянии абсорбирует влагу до тех пор, пока не растворится, а уже в состоянии раствора будет продолжать абсорбировать влагу до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между упругостью паров раствора и упругостью паров воздуха. Во время растворения СаС12 выделяется большое количество тепла, при этом идет процесс образования гидратов (гидратация). Молекула СаСЬ присоединяет 6 молекул воды с образованием кристаллогидрата СаС126Н20. Теплота гидратации СаС12 равна 21,7 ккал.
Скорость таяния льда зависит от толщины слоя, его однородности и погодных условий. Толщина льда варьируется от едва видимой пленки, образованной при понижении температуры на мокрой поверхности дорожного покрытия, до толстого слоя, образованного при замерзании талой воды и снега. Химическая формула воды и льда Н20, но структуры воды и льда различаются наличием водородных связей. Структура жидкой воды представляет собой нарушенный тепловым движением тетраэдрический каркас, пустоты которого частично заполнены молекулами воды. В составе льдоподобного каркаса каждая молекула воды образует одну зеркально симметричную (прочную) и три центрально-симметричные (менее прочные) связи. Первая относится к связи между молекулами воды соседних слоев и остальные к связям между молекулами одного слоя.
Молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода, связанных между собой химической ковалентной связью. Молекулы воды взаимодействуют друг с другом и связаны водородной связью. Чем больше водородных связей, тем выше плотность воды. Наибольшей плотностью 1 г/см вода обладает при температуре 4С и нормальном давлении. Лед благодаря пустотам в кристалл-лической решетке имеет плотность меньше плотности воды. Удельная плотность льда равна 0,92 г/см . Фазовое состояние воды зависит от количества в ее структуре водородных связей. При температуре 0С разорванных водородных связей в жидкой воде 15 %, если разорванных связей нет, то вода находится в твердом состоянии - лед.
При растворении хлоридов (NaCl, СаС12) в воде происходит сольватация ионов, т.е. электролитическая диссоциация солей по уравнениям: NaCl + вода-» Na+ + Cl" СаС12 + вода - Са 4" + 2СГ . Эти процессы сопровождаются тепловыми явлениями и протекают до наступления динамического равновесия при данной температуре.
Ионы кальция или натрия взаимодействуют с молекулами воды и занимают водородные связи, так как ионы кальция и натрия более электроотрицательны, чем ионы водорода (рис.2.8). При этом нарушается структура воды (льда) [69].
Схема взаимодействия ионов натрия и кальция с водой На основании этого сделан вывод, что хлористый кальций в два раза эффективнее, чем NaCl при низких температурах. Использование СаСЬ для борьбы с зимней скользкостью проводится в диапазоне отрицательных температур до -34С. Поэтому создание оптимальных составов из хлоридов натрия и кальция позволяет применять ПГМ при более низких температурах, чем хлористый натрий. Понятно, что NaCl в грануле с СаСЬ будет растворяться быстрее, повысится плавящая способность ПГМ.
Однако простое механическое смешение хлоридов натрия и кальция не обеспечит достаточной эффективности из-за неравномерности распределения солей по объему смеси. Неоднородность гранулометрического состава приводит к сегрегации. Технология производства компактированного ПГМ позволяет получить однородный по всему объему состав чистых хлористого кальция и натрия. Поэтому только компактирование, а не простое смешивание компонентов способно обеспечить требуемый эффект от их применения.
Когда СаСІг и NaCl применяются в качестве ПГМ для борьбы с зимней скользкостью совместно, они дополняют друг друга. В компактированной смеси СаС12 абсорбирует влагу из внешней среды, в результате реакции выделяется тепло, совместное воздействие влаги и тепла увеличивает скорость растворения NaCl [69].
Компактированная смесь представляет собой ПГМ, который понижает температуру замерзания и работает в диапазоне низких температур до -20С. За счет экзотермического процесса растворения GaCl2 возрастает скорость растворения NaCl и таяния льда. Гранулы глубже проникают сквозь лед к поверхности дорожного покрытия и раствор разрушает сцепление льда и покрытия, что облегчает механизированную уборку льда и снега.
При растворении солей, образующих большое количество различных кристаллогидратов (хлориды кальция, магния), сначала происходит перекристаллизация основной соли в кристаллогидрат с использованием воды, получаемой при плавлении льда. Раствор появляется после образовавшегося равновесного для данных условий кристаллогидрата, что задерживает плавление основной массы льда.
При применении солей, которые не образуют кристаллогидратов или образуют кристаллогидрат с одной молекулой воды (хлориды натрия, калия), происходит образование жидкой фазы непосредственно после расплавления первых порций льда. Соли, образующие кристаллогидраты, более гигроскопичны и образование растворов начинается при более низком насыщении атмосферы парами воды.
Сравнительные демонстрационные испытания противогололедных материалов на основе чистых хлоридов
Большинство древесных пород отрицательно реагируют на высокую концентрацию хлоридов в корневом слое почвы. Наименьшей устойчивостью к воздействию солей деревья обладают в вегетационный период. Концентрация NaCl 100-200 мг на один литр воды приводит к гибели некоторых видов растений, 200-500 мг - пресмыкающихся и насекомых, более 1000 мг - рыб.
Основной проблемой зимнего содержания дорог является снижение и предупреждение воздействия агрессивных факторов ПГМ, а также компенсация такого воздействия на компоненты окружающей природной среды путём организации и проведения разнообразных природоохранных мероприятий и внесения непосредственных изменений в существующие технологии борьбы с зимней скользкостью ПГМ [105].
В рамках выполнения проекта по разработке методических рекомендаций по охране окружающей среды при зимнем содержании автомобильных дорог было проведено исследование зависимости содержания компонентов ПГМ, используемых при ликвидации гололёда в борьбе с зимней скользкостью в почве придорожной полосы от дорожных факторов.
Поскольку целью исследования было изучение воздействия обработки дорожного покрытия ПГМ на содержание их компонентов в придорожной полосе, то измерения проводились путём отбора проб для дальнейшего химического анализа в местах, где проводится обработка дорожного покрытия. Процесс отбора проб осуществлялся в соответствии с режимом и графиком проведения работ по ликвидации гололёда. Территория придорожной полосы обычно относится к так называемой «полосе отчуждения», то есть территории, изымаемой из обращения сельского хозяйства как обычной плодородной территории. Эта территория не может быть отнесена к обычному агроценозу и потому к ней не применимы стандартные сельскохозяйственные нормативы.
Поэтому при построении модели будет отсутствовать необходимый компонент в виде абсолютной нормы. Указанная территория относится к области техносферы, чем и объясняется её включение в полосу отчуждения. Уместно использование традиционных для урбоценозов городских санитарно-гигиенических нормативов. Но автомобильная дорога не проходит целиком по территории урбоценоза, далеко выходя за пределы городской черты и зоны проживания и жилой застройки (селитебной зоны).
Для отбора проб были выбраны несколько участков почвы, часть из которых была расположена в пределах городской черты (придорожные полосы городских дорог), а часть находилась в пределах селитебной зоны (пригородные дороги). Следующим этапом исследования была разработка шаблона результатов, который должен был включать в себя характеристики места отбора проб. Сформированный на основе требований ГОСТ [46] по отбору проб почвы, шаблон становился основой для создания списка переменных модели.
Было произведено двадцать три отбора проб почвы с различных участков придорожной полосы автомобильных дорог городов Саратова и Энгельса. Отбор производился в течение трёх сезонов: зимы, весны и осени. Результаты анализа были объединены по периодам в списки «Зима», «Весна», «Осень», положенные в основу исходного массива для моделирования изучаемого явления - зависимости содержания компонентов ПГМ в почвах придорожной полосы от дорожных факторов [10, 16].
Сформирован список факторов — параметров экологического мониторинга. 1. Время года (сезон): тёплый, переходный, холодный, очень холодный. 2. Состояние покрытия: отличное, хорошее, удовлетворительное, плохое, аварийное. 3. Тип покрытия: асфальтобетонное, цементобетонное. 4. Наличие поворота в месте отбора проб. 5. Наличие пешеходной зоны. 6. Интенсивность пешеходного движения. 7. Наличие перекрёстка в месте отбора проб. Ill 8. Интенсивность движения: постоянное интенсивное, постоянное не интенсивное, не постоянное. 9. Прохождение через зону посыпки маршрутов не рельсового общественного транспорта (троллейбусы, автобусы, маршрутные такси и проч.). 10. Ширина трассы в зоне отбора проб: узкая, широкая. 11. Уклон - наличие/отсутствие. 12. Тип пробы: снег, лёд, почва. 13. Место отбора пробы: удаление от места посыпки - более или менее 1,5 м. 14. Место отбора проб: поверхность или глубина (для почв). 15. Место отбора проб: отвал или зона посыпки,(для снега). По данным описания мест отбора проб был составлен следующий список переменных, характеризующих воздействие дорожных факторов (таблица 3.3).
После создания исходного массива, построения моделей и после селекции по выбранному критерию выбрана оптимальная модель, проводится обобщённый анализ. Проводится обработка данных с использованием дополнительных критериев, необходимых для определения парной корреляции, воздействием которого объясняется данная зависимость или необходимость учёта посезонной зависимости, для чего в исходный массив вместо переменной СЕЗОН может быть введён дополнительный ряд манекенов ЗИМА, ВЕСНА и ОСЕНЬ и т.п.).
По результатам анализа моделей первого типа была установлена следующая форма зависимости процентного содержания водорастворимых солей от комплекса дорожных факторов: наибольшее влияние на значение выбранного выходного параметра (процентного содержания водорастворимых солей) оказывают следующие два фактора из выбранного списка: отбор проб непосредственно в зоне посыпки и тип отобранной пробы (почва или снег или лёд). Это значит, что существует большое различие между процентным содержанием водорастворимых солей в снеге отобранных проб и в почве.
