1.8.4. Боротьба з обледенінням дорожніх покриттів. Негативний вплив циклів «заморожування-розморожування». Вплив на навколишнє середовище та інженерні споруди

В холодний період року виникає періодичне обледеніння дорожніх покриттів, яке призводить до значного зростання дорожньо-транспортних подій (до 30 - 40% від їх річної кількості). Тому боротьба з обледенінням покриттів відноситься до групи дорожніх робіт особливої важливості.

Найбільш розповсюджені три типи обледеніння дорожніх покриттів: ущільнена колесами транспорту снігова кірка (накат); лід, який виник внаслідок промерзання тонких шарів води (з атмосферних вод, поверхневого стоку); ожеледь - наморожування на поверхні покриття переохолодженої атмосферної вологи.

Фізичні властивості, експлуатаційні особливості і умови формування цих видів обледенінь різні.

Сніговий накат формується дією коліс транспорту при наявності на проїзній частині відкладень снігу певної вологості при певній температурі повітря. Сніговий накат має щільність 0,3 - 0,5 г/см3 і досить міцно з'єднується з проїзною частиною. При його виникненні коефіцієнт зчеплення шин з проїзною частиною знижується до 0,15 - 0,20.

Лід на проїзній частині має ті ж властивості, що і вільна вода після замерзання. Особлива неприємність цього виду обледеніння полягає в тому, що воно розташовується на дорозі випадково з точки зору руху, охоплюючи відносно невеликі ділянки, і практично виключає для учасників руху можливість прогнозування його появи. Щільність льоду коливається від 0,8 до 0,9 г/см3, коефіцієнт зчеплення на покритих льодом ділянках не перевищує 0,1 - 0,15.

Ожеледь буває двох видів - матова і прозора. Кожна з них має свою схему формування і свої специфічні властивості.

Матова ожеледь виникає головним чином внаслідок замерзання краплин холодної води, які випадають з атмосфери на охолоджену нижче нуля градусів проїзну частину. Щільність матової ожеледі складає 0,6 - 0,7 г/см3, коефіцієнт зчеплення близько 0,1. Матова ожеледь однорідна; в зв'язку з незначною масою краплин процес віддачі тепла покриттю і в атмосферу протікає швидко, і утворення матової ожеледі іде дуже інтенсивно.

Прозора ожеледь виникає при випаданні з атмосфери крупних краплин вологи, які виділяють при замерзанні більше тепла, і з'єднанні при її замерзанні з вологою, сорбованою покриттям в мікропори з атмосфери,

одночасно з сублімацією водяної пари в зону увігнутих менісків парової вологи. Внаслідок специфіки утворення прозора ожеледь неоднорідна, час утворення її більший від матової. Щільність прозорої ожеледі складає 0,8 -0,9 г/см3; вона міцно з'єднується з покриттям. Коефіцієнт зчеплення ожеледі цього виду дуже низький - як правило, він не перевищує 0,07.

Існує декілька принципових методів боротьби із обледенінням дорожніх покриттів.

1) Механічний метод полягає в механічному сколюванні кірки льоду і видаленні її за межі узбіч. Ефект сколювання залежить від багатьох факторів. Він збільшується зі збільшенням товщини кірки льоду і від'ємної температури повітря, зі зменшенням відносної вологості повітря, зі збільшенням сили і частоти сколювальних зусиль. Недоліками цього методу є низька його продуктивність і висока імовірність пошкодження покриття.

Різновидом механічного методу є фрикційний, який полягає у розподіленні фрикційних матеріалів - піску, відходів каменедроблення, шлаку і т. ін. - по площі покриття за допомогою піскорозподілювальної техніки. Щоб підвищити ефективність використання фрикційних матеріалів (при проїздах транспорту вони інтенсивно змітаються за межі проїзної частини), їх попередньо обробляють малими дозами льодорозплавляючих речовин (наприклад, технічною кухонною сіллю). Оброблений таким чином матеріал частково проникає в обледеніння, закріплюється при замерзанні і зберігається на обледенілих поверхнях більш довгий час.

Ще одним різновидом механічного методу є розподіл по обледенілій поверхні гострокутного щебеню фракцій 10 - 20 мм. Зерна щебеню під дією коліс транспорту руйнують кірку обледеніння, і її залишки механічними щітками видаляють за межі проїзної частини. Але цей метод надто дорогий, досить небезпечний для учасників руху і широкого застосування теж не набув. Крім того, він задовільно спрацьовує тільки при специфічних умовах (товщина і стан кірки, температура повітря і т. ін).

2) Фізико-хімічний метод полягає у періодичній попередній обробці покриття хімічними реагентами, які забезпечують сильну гідрофобізацію поверхні покриття. Це дуже перспективний метод, але він ще недостатньо вивчений, практично не має матеріальної бази і використовується рідко.

3) Тепловий метод може використовуватися в двох варіантах. В залежності від умов передавання тепла він може бути конвективним і кондуктивним.

Конвективний метод побудований на розплавлюванні льоду теплом, що подається ззовні. Найчастіше використовується струмінь тепла від реактивних авіадвигунів, що відпрацювали нормативний ресурс. Метод дозволяє досить швидко ліквідувати обледеніння на локальних ділянках. Але на дорогах великої протяжності він малоефективний - надто дорогий внаслідок витрат палива, створює негативний вплив високої температури на замерзлі покриття з органічними в'яжучими.

Кондуктивний метод побудований на підігріванні шарів одягу і покриття за допомогою теплоносіїв, які закладаються під проїзну частину. Розтаювання обледеніння здійснюється за рахунок інтенсивного потоку тепла знизу вверх. Теплоносіями можуть виступати різні компоненти (вода, відпрацьоване масло та ін.), що циркулюють по трубах, або електроенергія. Через високу вартість метод можна використовувати лише на окремих ділянках доріг.

Біологічний метод побудований на використанні спеціально вирощуваних шламів мікробів, життєдіяльність яких призводить до знищення обледеніння. Метод перспективний, але ще зовсім мало вивчений, інформація відносно нього недостатня. Для практичного розвитку цього методу треба вирішити ще багато біологічних, техніко-технологічних і соціальних питань.

Найбільшого розповсюдження набув хімічний метод.

Метод полягає у використанні шляхом розподілу по поверхні обледеніння хімічних речовин, які мають так звану плавлячу здатність д„.

Плавляча здатність речовин оцінюється кількістю льоду, яка може бути розплавлена одиницею маси речовини при даній температурі повітря за час Т.

При хімічному методі боротьби із зимовою слизькістю використовують тверді і рідкі хлориди. Найбільш ефективним в більшості випадків є застосування хлоридів без змішування їх з фрикційними матеріалами (шлаком, гранітним відсівом, піском), а також рідких хлоридів у вигляді розсолів з високою концентрацією солей.

Застосовуються такі хлориди:

Технічна кухонна сіль — хлористий натрій НаСІ — найбільш розповсюджена в природі сіль. З сировини кухонної солі випускають

харчову, яка містить 93 — 99,7% NaCl, і технічну сіль, що містить менше 93% NaCl. Для боротьби з зимовою слизькістю використовують молоту технічну сіль крупністю від 1,2 до 4,5 мм.

Технічна сіль сільвінітових звалищ KCl, NaCl — кристалічний продукт, відходи виробництва калійних добрив. Цей продукт містить від 90 до 96% хлористого натрію, 2—3% хлористого калію і 0,5 — 1,0% хлористого магнію. Частинки солі сільвінітових звалищ мають крупність до 4 мм при наявності включень до 10 мм. Недоліки цього продукту -висока вологість (8—12%), змерзання при низьких від'ємних температурах.

Хлористий кальцій СаС12 — побічний продукт содового виробництва. Частинки його схожі на луску діаметром біля 15 мм і товщиною 1 мм, тому він називається лусковидним і містить 67% хлористого кальцію.

Хлористий кальцій фосфатований (ХКФ) — суміш лусковидного хлористого кальцію із інгібітором (суперфосфатом).

Технічний хлористий магній Mg02-6H20. Він являє собою лусковидний продукт, що містить 47% хлористого магнію і 53% кристалізаційної води.

Найчастіше для боротьби із зимовою слизькістю застосовують хлористий кальцій і хлористий натрій.

Плавляча здатність хлоридів залежить від температури повітря (рис. 5.16).

Доцільно використовувати хлориди комплексно, оскільки різні хлориди при одному і тому часі взаємодії з обледенінням мають різні закономірності плавлячої здатності. Методика обґрунтування копмлексного використання хлоридів пояснюється рис. 5.17. Очевидно, що до температури Тх доцільніше використовувати MgCl2, а після Тх - NaCl.

Хлориди можуть використовуватися або в твердому, або в рідкому стані. Хлориди в рідкому стані називаються розсолами.

Розсоли доцільно використовувати для попередження обледеніння. У цьому випадку за 30-60 хв. до початку утворення обледеніння по поверхні покриття розподіляють тверді і рідкі хлориди (витрата від 5 до 20 г/м2).

З'єднуючись з вологою, що знаходиться в повітрі, тверді хлориди утворюють соляний розчин, який перешкоджає утворенню обледеніння. Цей метод економічний, бо він потребує мінімальної кількості протислизькісних матеріалів. Однак реалізація цього методу потребує

точного прогнозу про можливість виникнення обледеніння за 1-2 години до початку його утворення, щоб встигнути обробити поверхню хлоридами.

Значним недоліком твердих хлоридів є їх злежуваність, бо при певних вологісно-температурних умовах вони адсорбують (поглинають) вологу з повітря. Рідкі хлориди для боротьби з зимовою слизькістю застосовуються у вигляді природних і промислових розсолів, а також штучно виготовлених розчинів. Рідкі хлориди придатні тільки з концентрацією солей більше 150 г/л, тобто з вмістом основної речовини більше 15%.

Для ведення ефективної боротьби з зимовою слизькістю необхідні спеціалізовані бази для зберігання, переробки і вантаження протислизькісних матеріалів. Потужність баз і їх кількість розраховують виходячи із критерію забезпечення мінімуму вартості робіт по ліквідації слизькості на дорогах. Як правило, потужність їх не перевищує 350 т.

Тверді і рідкі хлориди, які використовуються для боротьби із зимовою слизькістю, мають агресивну хімічну властивість: руйнують поверхню цементобетонних покриттів, бордюри, зливостоки, залізобетонні елементи мостів, а також металеві поверхні автомобілів. Негативно впливають хлориди на ріст дерев, зернових культур та іншої придорожньої рослинності. Тому норми застосування хлоридів для боротьби із зимовою слизькістю суворо обмежені.

Спроби відмовитись від хлоридів для боротьби із зимовою слизькістю були в багатьох країнах, але вартість зимового утримання при цьому збільшувалась у 3 рази разом із значним збільшенням кількості доржньо-транспортних подій. Для зменшення корозійної дії хлоридів на метали до них додають уповільнювачі корозії — інгібітори.

Норми добавок інгібіторів до хлоридів наведені в табл. 5.3.

У звзязку з високою агресивністю хлоридів, групою дослідників ХДАДТУ під керівництвом Є.Д. Прусенко інтенсивно ведуться роботи з пошуку методів профілактики руйнувань дорожніх покриттів в умовах використання хлоридів.

Ці інгібітори нетоксичні, не шкодять зеленим насадженням і не руйнують дорожніх покриттів.

Таблиця Норми добавок інгібіторів до хлоридів, %

Інгібітор	Хлористий натрій	Хлористий кальцій
1.Натрій кремннекислий плюс натрій кремнефтористий	2-3	2-3
2. Подвійний суперфосфат	3	-
З.Одно- і двозаміщений фосфат натрію	3-5	-
4. Суперфосфат	3-5	5-7