3.1.2 Зимнее содержание дорог

В зимнее время производится уборка снега с поверхности покрытия, а также ведется борьба со снежными заносами и гололедом.

Вероятность образования льда на поверхности асфальтобетонного покрытия при температуре окружающего воздуха от 0⁰ С до минус 8⁰ С близка к 100 %, тогда как при температуре ниже минус 8⁰ С вероятность образования льда резко уменьшается. Вода успевает перейти из жидкого в парообразное состояние прежде, чем наступит процесс ее замерзания.

Борьбу с зимней скользкостью ведут по трем направлениям: улучшение сцепления шин АТС с дорожным покрытием; удаление снежно-ледяных образований с дорожного покрытия; предотвращение образования скользкости. Известны фрикционный метод борьбы со снежноледяными отложениями, механический, тепловой, химический и химико-фрикционный. Из известных способов борьбы с зимней скользкостью наиболее эффективным, но в то же время наиболее вредным для окружающей среды является химический способ.

Химические вещества, применяемые для борьбы с гололедом на дорожных покрытиях, оказывают отрицательное влияние на придорожную растительность, вызывают коррозию металлических стоек дорожных знаков, металлических элементов автомобилей и дорожных машин. Особенно восприимчивы к воздействию солей хвойные деревья, у которых желтеет и полностью опадает хвоя [4].

Из всех солей, обладающих гигроскопическими свойствами, наиболее опасна для окружающей среды поваренная соль. По сравнению с другими веществами, хлориды проникают в почву глубже всех, достигая грунтовых вод. Под воздействием противогололедных солей структура и физико-химические свойства грунтов ухудшаются. Глинистые грунты теряют связность, становятся неустойчивыми, легко размываются водой, способствуя возникновению эрозионных процессов. Нормы распределения противогололедных реагентов зависят от температуры воздуха, вида соли, толщины ледяных отложений на покрытии и плотности льда. В соответствии с ВСН 20-87 «Инструкцией по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах» расход хлоридов за зимний период не должен превышать 2 кг/м² во II дорожно-климатической зоне. Однако указанные нормы (16-18 т на 1 км дороги или 30-40 г/м² за одну обработку) нельзя считать экологически обоснованными. Нормы использования хлоридов в России в 5-6 раз выше, чем за рубежом.

Применение жидких и влажных солей позволяет в 2 раза снизить расход соли и ее негативное воздействие на окружающую среду. Для использования соли во влажном состоянии к ней добавляют 2,5 – 5 % воды, для рассолов – 25 – 30 %.

Комбинированные химико-фрикционные методы борьбы со скользкостью являются более экологичными, поскольку часть агрессивных солей заменяется на инертные материалы. Недостатком такого метода является применимость его только при низких (ниже -15⁰ С) температурах воздуха и малой интенсивности движения. Кроме того, при попадании хлоридов, содержащихся в пескосоляной смеси на прилегающую территорию и придорожные водоотводные канавы, происходит угнетение растительности, снижение плодородия земель и т.д. Смесь песка с калием, к сожалению, в 20 раз дороже песко - соляной смеси, но с экологической точки зрения менее вредна для окружающей среды [12].

Несвоевременное распределение хлоридов при низкой температуре воздуха, недостаточно жесткое соблюдение технологии и режима уборки снежно-ледяной массы с проезжей части, использование устаревших методов борьбы со скользкостью, передозировки соли, повторяющиеся из сезона в сезон, ведут к большому перерасходу противогололедных реагентов и к резкому ухудшению состояние окружающей среды. Выбор оптимальных средств борьбы с гололедом и их количество следует рассматривать с двух позиций: технико-экономической и экологической.

Негативное воздействие на окружающую среду может быть снижено при использовании в качестве противогололедных реагентов органических соединений типа карбамида. В природе карбамид имеется в достаточном количестве. Он обладает пониженной агрессивностью к материалам дорожного покрытия и металлам. Однако его применение может вызвать накопление нитратов в почве, в растениях и грунтовых водах. Карбамид медленно реагирует со льдом, особенно при температурах ниже 5⁰ С; склонен к комкованию и в 3 раза дороже хлоридов.

Альтернативой хлориду натрия является кальциево-магниевая соль уксусной кислоты (ацетат). Она не оказывает вредного влияния на окружающую среду, коррозирующего влияния на металлы и имеет тенденцию к предотвращению развития коррозии, не токсична. За счет нанесения этой соли на поверхность дорожного покрытия можно предотвратить на дороге образования ледяной корки, обеспечить растапливание образовавшейся на дороге льда, предотвратить сцепление снега с поверхностью дорожного покрытия и образования наката. Ее применение сдерживает лишь стоимость производства.

Предлагаются методы борьбы с ледяными образованиями на дорогах с использованием нагретого гранулированного гидрофильного материала, например силикагеля. Данный материал способствует полному растапливанию слоя льда на покрытии. На границе контакта гранул с ледяными образованиями образуется слой талой воды, которая улучшает теплоотдачу гранул и одновременно адсорбируется поверхностью гранул. В процессе сорбции гранулы выделяют дополнительное количество тепла. При полном растапливании льда гранулы опускаются до уровня покрытия, продолжая адсорбировать талую воду. В конечной стадии процесса остатки талой воды на дорожном покрытии испаряются за счет остаточного количества тепла гранул и образующийся водяной пар также адсорбируется на поверхности гранул до полного осушения полотна. Далее гидрофильный материал удаляется с помощью вакуумного всасывания и регенерируется нагревом при пониженном давлении.

Механический способ борьбы с зимней скользкостью предусматривает использование самоходных и прицепных машин и механизмов ударного, скребкового, вибрационного или срезывающего действия для разрыхления и отделения льда и уплотненного снега от дорожного покрытия. Такие машины применяют для срезания толстых слоев снежно-ледяных корок.

Для удаления тонких ледяных пленок механический способ неприменим. Это связано со значительной прочностью контактной поверхности смерзания льда с бетоном и асфальтобетоном. Под действием нагрузки разрушение льда часто происходит не по контакту лед – покрытие, а по льду. Образующаяся в результате замерзания талой и дождевой воды ледяная пленка может иметь толщину до 3 мм, что также значительно усложняет удаление таких тонких пленок механическими средствами. Поэтому механический способ применяют чаще всего в сочетании с химическим – химическими веществами предварительно ослабляют снежно-ледяной слой, а затем удаляют с дорожного покрытия машинами [12].

Тепловой способ борьбы с зимней скользкостью заключается в удалении снежно-ледяных отложений путем подогрева дорожного покрытия нагревательными элементами, закладываемыми в покрытие, и удаление слоя снега или льда с покрытия при помощи тепловых машин.

Таблица 3.5

Сравнение методов нагрева по стоимости нагревательных систем (данные Канадского Национального совета исследований)

Метод нагрева	Начальная стоимость, долларов США/м2	Эксплуатационные затраты за сезон, долларов США/м2	Потребление мощности для таяния льда при температуре воздуха -50С, Вт/м2
Инфракрасные лампы	96	-	75
Электрический нагрев	54	4,8	323….430
Горячая вода	161	250 при толщине снега 75 мм	473
Отходящие газы	378	2,1	-
Токопроводящий бетон верхнего слоя	48	5,4	516

В нагревательных системах, применяемых для дорожных покрытий, используют токопроводящий кабель с высоким сопротивлением или трубы, содержащие горячий теплоноситель (отходящие газы).

Теплопроводящий бетон бывает двух типов – железобетон, содержащий токопроводящее фиброволокно, и бетон, содержащий теплопроводящие заполнители. Бетон первого типа имеет более высокую механическую прочность, но низкую проводимость с удельным электрическим сопротивлением приблизительно 1 Ом*м из-за слабого контакта поверхностей «волокно - к волокну».

Бетон второго типа имеет более высокую проводимость, но относительно низкий предел прочности при сжатии (менее 25 МПа).

Токопроводящий слой бетона можно использовать для борьбы с обледенением мостовых покрытий. Источник энергии для нагревания токопроводящего бетонного слоя – постоянный ток напряжением до 48 В (безопасно для человека).

Другим источником энергии для токопроводящего верхнего слоя бетона является микроволновый нагрев. При прямом электрическом нагреве постоянный ток подводится к токопроводящему слою, чтобы получить температуру, достаточную для плавления льда. Такая схема подобна процессу нагрева в микроволновой печи.

В США действуют установки по обогреву дорожных покрытий в зимний период естественной теплотой Земли, аккумулированной в летний период. Авторы других разработок предлагают использовать солнечное излучение, ветер и температурные перепады воздуха в качестве экологически чистых источников энергии для борьбы с зимней скользкостью. Однако перечисленные системы пока мало применимы в широкой практике.

В качестве профилактических мер по борьбе с зимней скользкостью можно применять противогололедные реагенты, рассолы, распределяемые в период снегопада, что препятствует сращиванию льда с дорожным покрытием, снижает расход соли, устраняет необходимость посыпать поверхность покрытия песком.

Уменьшить вредное влияние на ОС можно на основе придания противогололедных свойств самой дорожной конструкции.

В переходные периоды гололедоопасный сезон может быть значительно сокращен, а зимой облегчено удаление льда путем придания дорожной одежде оптимальных теплотехнических характеристик. В асфальтобетонные смеси могут быть введены материалы, улучшающие теплотехнические показатели конструкции, такие как шлаки, горелые пески.

В настоящее время прогрессивным и более экологически чистым методом борьбы с гололедом является введения в асфальтобетоны добавок, например, резиновой крошки. Снег и лед значительно хуже пристают к резине, чем к асфальтобетонам и минеральным частицам, что препятствует образованию гололеда.

Возможность превентивного сдерживания процесса образования льда обеспечивают вещества, характеризующиеся слабо выраженным свойством связывания со льдом, что облегчает процесс удаления льда с покрытия. К ним относятся поверхностно-активные добавки, силиксановая резина и отходы пластиков, текстолита.

Противогололедные добавки в виде солей (до 2 % от массы) можно вводить в смесь с различными добавками или в виде компонентов смеси, пропитанных растворами солей. Это так называемые противогололедные покрытия, материалом которых служит обычный асфальтобетон с добавлением к нему 4-6 % хлористого кальция. Эта добавка не приводит к изменению физико-механических свойств смеси, но в то же время резко уменьшает расход противогололедных реагентов на содержание покрытия.

В качестве добавок, пропитываемых солями, можно использовать цеолиты – водные алюмосиликаты, кристаллическая решетка которых легко адсорбирует ионы хлоридов и в нормальных условиях прочно их связывает.

Цеолиты – природные соединения, образовавшиеся в природе в результате гидротермальных реакций. Наибольшее практическое значение из всех разновидностей цеолита имеют клиноптилолит и мордент. У них высокая сорбционная способность воды, углекислого газа, аммиака, этилена. Кроме того, они связывают грязь, пыль, масло и оксид серы, благоприятно воздействуя на ОС.

При производстве асфальтобетонных смесей происходит нагрев цеолита совместно с минеральными материалами до 160-180 град. При этом он теряет воду. После приготовления смеси цеолит будет иметь резерв для адсорбции воды, которая необходима для растворения солей, входящих в смесь. При предварительной обработке цеолитов противогололедными реагентами часть воды испаряется, оставляя соли на поверхности зерен, которая в процессе эксплуатации дороги растворяется по мере адсорбции воды.

Также на рынке противогололедных материалов представлены бинарные и тройные смеси: нитрат кальция – мочевина; нитрат кальция – нитрит; нитрит – нитрат кальция – мочевина. Считается, что эти смеси не оказывают вредного воздействия на окружающую среду.

Можно также отметить многокомпонентный антиобледенитель Verglimit, состоящий из частично кристаллизованного хлорида кальция (80 %) и гидроксида натрия (5 %), равномерно распределяемый в асфальтобетонной смеси верхнего слоя дорожной одежды. Наблюдения за опытными участками дорожных покрытий показало, что образование гололеда замедлилось, число ДТП снизилось, однако стоимость асфальтобетонной смеси с подобной добавкой повысилась в три раза [13]. Антиобледенитель эффективен при интенсивности движения свыше 5000 авт/сут и температуре воздуха до минус 7⁰ С в течение 2-6 лет эксплуатации покрытия.

В России очень хорошо зарекомендовал себя препарат «Грикол», получаемый в результате помола смеси, состоящей из 90 % хлоридов натрия, кальция и 10 % кремнийорганического гидрофобизатора. Гидрофобные свойства, которыми обладает «Грикол», усиливают противогололедный эффект за счет снижения адгезии льда к дорожному покрытию, уменьшают трудозатраты по очистке поверхности после обильных снегопадов и предотвращают образование снежного наката. Препарат не допускает повторного образования льда при переходе температуры через 0⁰. Реагент вводят в состав асфальтобетонных и чернощебеночных смесей в процессе их приготовления.

При эксплуатации дорожного покрытия использование «Грикола» позволяет сократить расход противогололедных материалов, снизить коррозионное воздействие в период зимнего содержания дорог на 30 %.

Большое распространение получили комбинированные химико-фрикционные методы борьбы со скользкостью, когда песок смешивают с твердыми хлоридами в разных соотношениях. Достоинство этих смесей в том, что они не смерзаются и не слеживаются. Однако эта методика требует большого объема распределяемых материалов и целесообразна при температурах ниже 15⁰ С и малой интенсивности движения.

В Воронежском архитектурно-строительном университете разработаны рекомендации по повышению коэффициента сцепления скользких дорожных покрытий при применении шлаковой мелочи конверторного, доменного, электросталеплавильного производства черных металлов. Особенно эффективно действие шлаковых материалов на дорогах с гладкой поверхностью покрытия (шероховатость менее 0,3 мм) при борьбе со стекловидным льдом.

При применении же традиционных противогололедных смесей необходимо оценивать влияние материалов на ОС и живые организмы. При этом оценивающим показателем является концентрация противогололедных материалов, определяемая в соответствии с нормативными документами. Норму россыпи пескосоляной смеси необходимо назначать строго с учетом вида зимней скользкости, температуры окружающего воздуха, количества отложений на покрытии.

При наличии в дорожном хозяйстве ассортимента противогололедных солей предпочтение следует отдавать хлористому кальцию, а именно хлористому кальцию фосфатированному (ХКФ) или природному рассолу, так как вода, почва и растительность мало чувствительны к увеличению содержания в них кальция, а природные рассолы содержат более 50 микроэлементов, способствующих снижению отрицательного воздействия натрия и улучшающих свойства почвенно-растительного покрова.

Наиболее эффективным и недорогим решением проблемы может служить закрепление частиц фрикционного материала на обледеневшей поверхности дороги. Для этого фрикционные материалы предварительно нагревают перед самым распределением. В случае, если гололедная пленка сохраняется, через 2-3 часа проводится повторная обработка дорожных покрытий пескосоляной смесью.

В целях снижения отрицательного влияния противогололедных и обеспыливающих веществ на растения и почву следует проводить следующие мероприятия:

• в местах с большим количеством вносимых хлоридов необходимо обеспечить водоотвод путем заложения перехватывающих и отводящих дренажей или создавать в сторону кювета поперечный уклон придорожной полосы не менее 5-7°. Форма поперечного профиля разделительной полосы должна быть выпуклой;

• с целью ограничения загрязняемого дорогой пространства пылью и солями, следует устраивать лесные полосы, которые будут преграждать перенос этих веществ. При посадке или посеве следует использовать ассортимент растений, устойчивых к засолению почв (пырей, горец птичий, тимофеевка, лопух, подорожник, одуванчик, лебеда, щавель конский, земляника лесная, овсяница луговая, абрикос, акация белая, бук, береза и с\х культур - арбуз, брюква кормовая, горчица, дыня, капуста кормовая, лук, морковь, овес, помидоры, просо, пшеница яровая, рис, рожь озимая, свекла, соя, турнепс, хлопчатник);

• в случае, если хлориды попадают в почву вновь созданных лесных полос, в них необходимо проводить рыхление почв не менее пяти раз в первый год и трех - последующие годы, полив до 2-3 раз в месяц и ежегодную подкормку удобрениями (N₆₀, Р₆₀, К₆₀);

• при посадке деревьев и кустарников на глинистых и суглинистых почвах в ямы целесообразно добавлять песок, что способствует большой водопроницаемости, а, следовательно, лучшей вымываемости хлора;

• для предотвращения вторичного засоления почв в полосе отвода следует сразу же после косьбы убирать скошенную траву и опавшие осенью листья деревьев.

Интенсивным источником загрязнения придорожной территории являются места складирования пескосоляных смесей, так как в подавляющем большинстве они представляют собой открытые для воздействия природных факторов площадки. В результате водной и ветровой эрозии растворы хлоридов накапливаются в почве и приводят к гибели растительности в радиусе нескольких метров от места хранения соли. Поэтому штабеля пескосоляных смесей следует закладывать на асфальтированных площадках. При этом необходимо следить, чтобы не образовывался поверхностный сток рассола от штабеля и чтобы рассол не просачивался в грунт. При выборе площадок следует учитывать, что хлориды наиболее токсичны для почв и менее токсичны для песчаных и гравийных грунтов, что позволяет частично ранжировать степень опасности засоления.