Повышение эффективности применения противогололедных реагентов при эксплуатации автомобильных дорог

Рост автомобильного парка предъявляет все более высокие требования к содержанию автомобильных дорог. Особенно ухудшаются условия для-движения автомобиля в зимнее время, когда на дорожном покрытии образуются снежно-ледяные образования или происходит обледенение покрытия:

Поэтому вопрос предупреждения и ликвидации зимней скользкости является основной проблемой зимнего содержания.

По данным различных литературных источников количество ДТП в зимнее время возрастает в 2−3 раза по сравнению с летним периодом [20]. Наибольшее влияние на это число оказывает состояние дорожного покрытия. Снижение транспортно-эксплуатационных качеств дорожного покрытия в зимний период происходит из-за наличия на них снежно-ледяных образований. Существуют различные виды зимней скользкости: гололед, иней, рыхлый снег, уплотненный снег, ледяной накат. Все они, как правило, имеют индивидуальные условия образования, зависящие от многих факторов: влажность, температура воздуха, температура покрытия, количество осадков и т. д., но, как правило, одну технологию их ликвидации.

Образование зимней скользкости приводит к существенному понижению сцепных характеристик покрытия, и, как следствие, уменьшает площадь взаимодействия колеса транспортного средства с покрытием, что и является причиной снижения безопасности передвижения и роста ДТП. При гололеде необходимый коэффициент сцепления, который должен обеспечиваться в зоне взаимодействия колеса с покрытием, может изменяться от 0,3 до 0,7. Существуют допустимые нормы снижения данного коэффициента — 10% от минимального значения, т.о. минимальное предельное допустимое значение равно 0,27. В реальности же коэффициент сцепления на обледенелых покрытиях варьируется от 0,05 до 0,1. Резко увеличивается риск возникновения ДТП — аварий, столкновений, заносов, съездов на. обочины. Особенно важным последствием недопустимого состояниям покрытия в наиболее опасный зимний период является уменьшение безопасности передвижения людей и транспорта, не говоря уже. и О1 возрастающей угрозе их здоровью и жизнедеятельностиВот почему борьбе с зимней скользкостью, равно как и изучению процессов ее: образования уделяется пристальное внимание, множества ученых и различныхорганизаций. Проводятся, масштабныеисследования в этой области. Данной проблеме посвящено? большое количество1 работ, статей, методик, книг и научных работ. Вопросами зимнего содержания автомобильных дорог занимались такие организации, как МАДИ (ГТУ), ОАО «ШПРОДОРНИИ», ФГУП «РОСДОРНИИ», ОАО «СОЮЗДОРНИИ», ОАО «РОСДОРТЕХ», ООО «Зиракс» и др. Широко известны результаты исследований таких известных специалистов как А. П. Васильева, М. В. Немчинова, Т. В: Самодуровой, II. B1 Борисюка, Ю. В: Кузнецова, Ю. Н. Розова, Ветровой В. В., Швагиревой О: А., Аржанухиной С. П., Печорского М. А. и многих других.

Исследования свойств ИГР и их влияние на различные объекты взаимодействия^ можно найти в, работах: Н. В. Борисюка, В. И. Мазеповой, Л. Ф. Николаевой, Т.В. СамодуровойВШ1 Подольского, Ю. Н. Розова, 01 А. Швагиревой и т. д.

Как известно, основными^ способамиборьбы с зимней скользкостью являются: тепловой, фрикционный, механическийхимический и комбинированный. В настоящее время наиболее эффективным считается химический способликвидации зимней скользкости, которыйоснован на распределении противогололедных реагентов (ИГР). Было проведено значительное количество исследований, составлено множество композиций реагентов, противогололедных покрытий и т. д. Требования к ИГР во многих странах стандартны: низкая температура эвтектики, высокая плавящая способность, минимальная экологическое воздействие, низкая коррозионная активность при взаимодействии с металлическими частями транспорта и дорожных сооружений. Однако основным требованием к противогололедным реагентам при их применении является обеспечение требуемого для безопасного и комфортного движения коэффициента сцепления.

Существуют различные методики оценки влияния ПГР на сцепные качества дорожных покрытий при образовании на покрытии раствора реагента, в результате выполнения основной его задачи — расплавления СЛО. Благодаря подобным исследованиям многими специалистами было"отмечено весьма интересное явление, возникающее при применении большинства современных ПРР. Таю называемый эффект последействия реагента, которое влечет за собой существенное снижение главного параметра — коэффициента сцепления. Эффект последействия заключается^ в снижении сцепных характеристик покрытия при образовании на> нем^ пленки раствора реагента. Появление раствора на дорожном покрытии может происходить вследствие различных причин: пленка концентрированного раствора реагента, распределяемого при активном или предупреждающем способе борьбы со.

СЛО, образование пленки раствора в, результате взаимодействия" СЛО С' твердым ПГР и т. д. В большинстве случаев, прш всех равных условиях результат однозначный: на гладких мелкошероховатых покрытиях коэффициент сцепления может снижаться до недопустимых значений.

Находясь на поверхности покрытия, пленка раствора подвергается активному воздействию! со стороны многочисленных внешних факторов и основным из них является автотранспорт. Колеса автомобилей разбрызгивают реагент, выдавливая слой жидкости из зоны контакта колеса с покрытием. Часть раствора разносится колесами по поверхности покрытия, таким образом, остается достаточно тонкий слой раствора. Но, к сожалению, даже такой тонкий слой снижает сцепные характеристики ниже нормативных показателей. Возникает некоторый парадокс: самый эффективный способ борьбы со снижением коэффициента сцепления, в той или иной степени (в зависимости от вида реагента) сам способствует его снижению. В настоящее время, все существующие реагенты ориентированы на производителя, т. е. на финансовый аспект и плавящую способность. Была создана масса всевозможных композиций ориентированных именно на эти условия.

Но, в связи с тем, что реагенты, имея необходимую плавящую способность, тем не менее,. снижают сцепные характеристики покрытия, целесообразнее было бы, изучив в первую очередь эффект последействия, оптимизировать состав таких композиций и на другие.показатели.

Актуальность работы:

1. На основе теоретических предпосылок и экспериментальных исследований рассматривается актуальная задача, повышения сцепных качеств покрытия при, применении химически противогололёдных реагентов;

2. В исследовании последовательно анализируются факторы, влияющие на сцепные качества покрытия, такие как реагент, температура, концентрация реагента;

3. Предлагается, интегративная характеристика рабочего состояния раствора реагента — вязкость, которая надёжно даёт корреляцию с величиной коэффициента сцепления;

4. Рассматриваются вопросы регулирования и снижения вязкости растворов за счёт оптимизации композиции состава реагентов и добавок алкилбензолсульфоната натрия (толуола). Эти включения в состав снижают вязкость раствора и способствуют повышению сцепных качеств покрытия.

Целью настоящей. работы является: повышение сцепных характеристик дорожного покрытия при применении химических противогололедных материалов.

Задачи исследования:

1. Исследование последействия химических реагентов на сцепные качества покрытия;

2. Влияние противогололедных реагентов и их композиций на сцепные качества покрытия;

3. Физико-химические свойства растворов реагента и выявление интеграционной характеристики;

4. Влияние текстуры, состава и шероховатости покрытия при применении растворов реагента на сцепные свойства;

5. Исследование влияния ПАВ группы толуолсульфокислот на снижение вязкости раствора ПГР;

6. Модель подбора состава раствора реагента с целью минимального снижения коэффициента сцепления;

7. Рекомендации по оптимизации состава применяемых реагентов и их композиций;

Научная новизна:

1. Разработка противогололедных материалов и их композиций с минимальным воздействием на снижение сцепных качеств покрытия;

2. Определена зависимость вязкости растворов реагента от их концентрации;

3. Определена зависимость вязкости растворов реагентов и сцепных характеристик покрытия;

4. Разработана методика оптимизации состава реагентов с минимизацией свойств по вязкости раствора ПГР.

Практическая ценность:

Результаты данной работы предназначены для выбора состава и оптимальной концентрации жидкого противогололедного реагента с минимальным снижением сцепных качеств покрытия при нахождении раствора 111 Р на покрытии.

Объектами исследования являются: основные применяемые противогололедные химические материалы.

Методология исследования состоит из теоретических и экспериментальных исследований, включающих математическое моделирование, инструментальные замеры и лабораторные исследования.

Достоверность теоретических решений и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами настоящего исследования.

Таким образом, конкретизируя вопросы, цели и задачи, поставленные в данном исследовании, их можно представить следующим образом:

1. Рассмотрение взаимодействия реагента с покрытием в целях улучшения используемых реагентов и композиций, а так же возможные рекомендации по применению ныне существующих;

2. За счет чего происходит снижение сцепных характеристик при нахождении раствора реагента на покрытии, и какие физико-химические механизмы при этом задействованы;

3. Влияние противогололедных реагентов и их композиций на сцепные качества покрытия, зависимость снижения сцепных характеристик от типа реагента;

4. Физико-химические свойства растворов реагента и выявление интеграционной характеристики;

5. Влияние температуры на свойства раствора реагентов;

6. Исследование снижения вязкости, как интеграционной характеристики, в растворах реагента при их композиции;

7. Изучение такой характеристики, как энергия активации для более полного понимания процесса снижения коэффициента сцепления за счет вязкости;

8. Модель подбора состава раствора реагента с целью минимального снижения коэффициента сцепления.

9. Исследование влияния ПАВ на снижение вязкости раствора ПГР;

10. Рекомендации по оптимизации состава применяемых реагентов и их композиций;

1. МЕТОДЫ БОРЬБЫ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЗИМНЕЙ.

СКОЛЬЗКОСТИ.

4.1. Выводы по главе.

1. Проанализирована ситуация с нестабильным снижением вязкости растворов реагентов и композиций. С целью исследования данного процесса были проведены дополнительные опыты по измерению поверхностного натяжения с добавками.

Эксперимент проводился на примере уже исследованных композиций. В результате проведенного эксперимента композиция ХКМ-БС 10%-18% вновь повел себя нестандартно по сравнению с другими композициями.

2. Дополнительно были построены изотермы с целью определения аномальной температуры.

3. Уточнены физико-химические показатели растворов используемых композиций;

4. Исследованы возможные причины ухудшения снижения вязкости на примере композиций;

5. Не смотря на проведенные исследования, данный эффект имеет крайне сложный характер и требует дальнейшего изучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Цель, данного исследования заключалась в определении способов повышения сцепных характеристик дорожного покрытия" при применении химических противогололедных материалов на стадии предварительного их распределения при профилактике образования СЛО, а также при образовании высоковязкого раствора после расплавления СЛО твердыми реагентами. В процессе проведения данной работы был изучен ряд задач.

1. С целью выявления и определения влияния1 противогололедных реагентова так же их композиций на сцепные качества покрытия, были проведены натурные исследованиядемонстрирующие существенное снижение сцепных характеристик при использованиирастворов^ ПГР до недопустимых значений. Так же были обозначены градации, снижения коэффициента сцепления при применении различных' реагентовгде были выявлены реагенты, обладающие наибольшим, и наименьшим эффектом последействия;

2. Для рассмотрения и объяснения процесса снижения коэффициента сцепления— при нахождении' на покрытии раствора' реагента был проведен эксперимент, изучающий физико-химические свойства используемых растворов. Растворы оценивались по концентрации, по вязкости, по количеству остатка реагента на покрытии. Был сделан вывод о том, какой реагент остается на покрытии в большей степени, и, следовательно, снижает сцепные характеристики в большей мере. Физические процессы раствора, т. е. высококонцентрированной пленки, создающие столь негативный эффект были объяснены с помощью нормального явления вязкого течениякоторый характеризуется энергией активации. Чем больше энергия активации, тем более плотными неподвижным является < раствор, находящийся на покрытии, и тем сложнее ему уйти либо в поры покрытия, либо вытисниться из зоны контакта колеса с покрытием;

3- Исследования^ по влиянию отрицательных температур на химические свойства раствора показали, что снижение температуры окружающейсреды намного усугубляет эффект снижения сцепных характеристик при нахождении на покрытии раствора Ш Р. Прочность связей молекул, возрастает при понижении температуры, и высоковязкие, плотные растворы становятся еще плотнее в реальных условиях работы;

4. ' При исследовании изменения физико-химических свойств растворов-, реагента целесообразной являлась гипотеза о выявленииинтеграционной характеристики. Такой обобщающей физической, характеристикой: плотности, концентрации, температуры и т. д. при анализе опытных данных была вязкость. Многие исследователи в своих трудах приходили каналогичным выводам о вязкости, как о главно®характеристике раствора;

5: Во время проведения исследования по измерению количества остаткараствора на покрытии была выявлена следующая закономерность: помимо индивидуальных, особенностей раствора-. связанных: с его вязкостью и плотностью, на сохранение раствора на покрытии влияет так же текстура самого покрытияНаг мелкозернистых и гидрофобныхобразцах асфальтобетона раствор* реагента задерживалсяв большемколичестве, нежели на среднезернистых, крупнозернистых и цементобётонных образцах. Такое явление можно объяснить, внутренней капиллярно-пористой структурой покрытия. Процесс поглощения влаги из воздуха называется сорбцией, он обусловленполимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания. Уменьшение этих показателей отражает улучшение структуры материала и повышение его морозостойкости. В исследованиях других ученых уже было выявлено стойкое коррозионное. влияние антигололедных составов на структуру покрытия. Как эффект коррозии возрастала пористость покрытия. В связи с чем были выдвинуты предположения о зависимости коррозионной активности и степени остатка раствора реагента на покрытии. Чем более коррозионным воздействием обладает реагент, тем меньше его остается на покрытии. Он просто уходит в поры;

6. После выявления всех особенностей данного процесса, выяснения причин, объясняющих явление снижения сцепных характеристик при использовании ПГР, а так же после выявления интеграционной характеристики раствора, после поисков необходимого вещества выбор был остановлен на сульфокислотной группе поверхностно-активного вещества толуол сульфокислоте. Данный ПАВ при добавлении совсем небольшого количества на массовую долю реагента снижает вязкость раствора, а, следовательно, снижает негативное воздействие раствора реагента на покрытии. Были проведены эксперименты, демонстрирующие все возможные изменения! в физико-химических свойствах раствора. Помимо спрогнозированных результатов также были получены новые результаты. Данный вид ПАВ был выбран при соответствии основным требованиям, которые предъявляются к поверхностно-активным веществам, применяемым в дорожном хозяйстве: экологичность, доступность, низкая стоимость, отсутствие стойкого пенообразования, отсутствие резкого запаха, раздражающего воздействия, антикоррозионное и т. д. По достижению итоговых результатов можно сделать вывод о снижении вязкости растворов применяемых ПГР в 50% проведенных опытов. А именно: вязкость реагентов при добавлении толуол сульфокислоты снижается при небольших и маленьких концентрациях, а так же в тех композициях, где доля" кальция меньше доли другого составляющего. Основным недостатком использования данного ПАВ оказалось образование нерастворимого осадка в системе, если кальция содержится в избытке. Тем не менее, в других композициях добавка действует, снижает вязкость в определенных температурных границах;

7. На основании проведенных исследований и полученных результатов методом регрессионного анализа были получены такие эмпирические зависимости, которые позволяют спрогнозировать величину коэффициента сцепления покрытия, которое получится при использовании определенного реагента с известной вязкостью или концентрацией. Так же с помощью регрессионного анализа были составлены уравнения, выявляющие главные параметры, которые оказывают существенное влияние на коэффициент сцепления, и исключающие незначительные факторы. Возвращаясь к интеграционной характеристике, методом регрессионного анализа было подтверждено особое влияние вязкости. Подобные уравнения, и зависимости были составлены как для реагентов в целом, так и для каждого компонента в отдельности;

8. Одной из основных задач также являлось составление рекомендаций по оптимизации составам применяемых реагентов и их композиций. Для выполнения данной задачи был проведен мониторинг наиболее используемых современных композиций, были получены точные данные соотношения в них главных компонентов. Также были предложены различные вариации соотношения этих компонентов. Были получены опытные данные о вязкости и количестве остатка растворов на поверхности покрытия. На основании экспериментальных данных из всего перечня по итогам настоящей работы можно выделить основной состав в группе ХКМ-БС и один состав в группе ХКНМ. В группе ХКМ-БС можно отметить состав, основанный на соотношении хлористого натрия к хлористому кальцию в процентном соотношении 10—18. В этом случае показатели вязкости и остатка на поверхности образца являются минимальными по сравнению с используемым на практике соотношением 5—23. При введении добавки в соотношение 10−18 происходит резкое снижение вязкости в определенном температурном интервале от -5 до -8 С, что является в среднем, самою распространенной температурой зимнего периода времени. Так же на примере данного соотношения прослеживается эффект синергизма, который проявляется в>снижении вязкости всей композиции по отношению к вязкости ее составляющих. Именно поэтому соотношение ХКМ-БС 10—18 является более перспективным и возможно, при более тонком подборе ПАВ именно этот состав будет являться самым оптимальным из существующих. В системе ХКНМ было выбрано соотношение 18-Мэ. Данное соотношение так же было выбрано из соображений минимальных показателей вязкости и количества остатка реагента на поверхности покрытия. Такое соотношение и используется на практике при противогололедной обработке. Проведенные испытания с ПАВ не оправдали прогнозируемых результатов. Несмотря на то, что ПАВ' успешно снизил вязкость у составных элементов данного соотношения, в случае с композицией вязкость раствора только возросла. Из чего следует сделать вывод, что данный тип ПАВ не подходит для данной композиции. Таким образом, учитывая вышеуказанные рекомендацииа так же используя возможности прогнозируемого расчета итогового допустимого коэффициента сцепления можно более качественно, целесообразно и успешно применять те ПГР, которые обширно-" используются ныне в дорожном хозяйстве.

Подводя итог работы можно сделать следующие выводы:

1. Произведено исследование влияния противогололедных материалов и их композиций на сцепные качества покрытия;

2. Определена зависимость вязкости раствора реагента от его концентрации и температуры;

3. Определена корреляционная зависимость вязкости растворов применяемых реагентов и сцепных характеристик покрытия;

4. Разработана методика оптимизации состава реагентов и добавок (ПАВ) с минимизацией свойств по вязкости.

5. Составлена статистическая модель и разработана методика подбора состава реагентов с минимальной вязкостью раствора.

В заключении можно заметить, что нельзя однозначно говорить о влиянии вязкости на коэффициент сцепления покрытия без учета плавящей способности композиций, вида реагента, влияния на экологию, рассмотрения изменений, постоянно происходящих с вязкостью и концентрацией раствора реагента, находящегося в реальных дорожных условиях и т. д. Раствор, находящийся на покрытии, при воздействии природных факторов и других, может постоянно менять свои свойства, в том числе вязкость и концентрацию. Ситуация на дороге не бывает стабильной. Именно с учетом этих особенностей эксперимент был поставлен в достаточно широком диапазоне: концентрация исследуемых реагентов варьировалась от минимальных (5%) до максимальных значений (предельных по растворимости). Следует также отметить что при исследовании изменения плавящей способности при смешении состава, синергизма, как такового не происходит, а следовательно плавящая способность композиции будет равна плавящей способности ее соствляющих.

Задачами дальнейших исследований является оптимизация разработанной методики, а также дополнение и расширение ее путем исследования таких свойств раствора, как толщина пленки: изменяется ли она при изменении композиций или введении добавокчто происходит в зоне контакта колеса с пленкой раствора и есть ли изменения по усилиям разрыва данных пленок? Большой интерес представляет вопрос оизменении коррозионной активности при оптимизации по вязкости1 и последействию. При получении исчерпывающей информации и положительных ее результатах, целесообразным было бы проведение аналогичного мониторинга не только хлоридной, но и карбамидной и формиатной групп ПГР.