Определение и прогнозирование момента образования гололеда на покрытии

     В нашей стране требования к зимнему  содержанию проезжей части автомобильных  дорог разрабатываются с учетом основного положения нормативных  документов о том, что проезжая часть  дороги должна быть полностью очищена от снега и льда. Так как невозможно очистить от снега и льда одновременно все участки дорог, обслуживаемые дорожно-эксплуатационным подразделением, задача разработки требований по зимнему содержанию проезжей части автомагистрали может быть сведена к установлению экономически обоснованных сроков ликвидации зимней скользкости в зависимости от ее значимости и погодно-климатических условий региона расположения. Так было выполнено технико-экономическое обоснование сроков ликвидации зимней скользкости. Основным показателем, регламентирующим сроки ликвидации зимней скользкости, является значимость дороги или ее категория, характеризующаяся величиной интенсивности движения. В качестве переменных показателей, меняющихся по регионам и климатическим зонам страны, проанализированы количество циклов образования гололеда и количество снегопадов. Эти два показателя определяют длительность обледенелого и заснеженного состояний покрытия. Рассмотрены варианты сроков ликвидации зимней скользкости от 1 до 20 ч с интервалом в 1 ч, для которых определены затраты на снегоуборочную технику и машины для ликвидации гололеда, рассчитаны потери из-за снижения скорости движения и повышения аварийности при различной длительности неблагоприятных состояний проезжей части, определяемых указанными сроками ликвидации зимней скользкости. За критерий обоснования экономически целесообразного срока был принят минимум суммарных приведенных затрат из рассмотренных вариантов с разными сроками ликвидации зимней скользкости. В таблице 3 приведены экономически целесообразные сроки ликвидации зимней скользкости и потребное количество машин для их реализации на 100 км дороги в расчете на две полосы движения при условии применения пескосоляной смеси.

     Таблица 3 – Сроки ликвидации зимней скользкости и потребное количество машин для их реализации на 100 км дороги на 2 полосы движения

     Таким образом, для автомобильных дорог экономически целесообразным сроком ликвидации зимней скользкости является 1 ч, так как величина интенсивности движения на них, как правило, больше 5000 авт./сут. С целью обеспечения этого срока требуется повышенное количество машин для очистки дорог от снега и ликвидации на них гололеда.

     2.3 Особенности зимнего содержания  дорог

     Одной из серьезных проблем является зимнее содержание дорог с цементобетонным покрытием в начальный период их эксплуатации. Нормативные документы запрещают применение химических веществ для борьбы с зимней скользкостью в течение 1,5 лет с момента строительства на покрытиях из цементобетона с воздухововлекающими добавками и в течение 3 лет - без них. В рекомендациях ОСЖД не разрешается применять хлориды на цементобетонных покрытиях с воздухововлекающими добавками в возрасте до 1 года. На покрытия, устроенные из плотных асфальтобетонных смесей, хлористые соли в чистом виде или в смеси с фрикционными материалами не оказывают вредного воздействия. При зимнем содержании цементобетонных покрытий в начальный период их эксплуатации используют следующие методы: посыпку фрикционными материалами (песком, высевками, шлаком и т.п.) и защиту покрытий от агрессивного воздействия растворов солей химическими веществами. Для осуществления первого метода необходимы большие объемы фрикционных материалов, так как их расход на одну посыпку составляет 250-400 г/м2 и посыпку требуется проводить через каждые 3-4 ч. Кроме того, для повышения эффективности их воздействия необходимо оборудование для их подогрева. Анализ исследований по защите цементобетонных покрытий от агрессивного воздействия влаги и растворов солей позволяет объединить способы понижения водопроницаемости бетонов в три основные группы: пропитки бетона, приводящей к кольматации его порового пространства; нанесения на поверхность бетона практически водонепроницаемого материала; физико-химической и химической обработки поверхностного слоя, обеспечивающей улучшение свойств самого бетона. Методы первой группы включают в себя частичную пропитку затвердевшего бетона мономерами или растительными маслами, которые после полимеризации или коагуляции заполняют его поры и капилляры. Однако в настоящее время применение мономеров, ввиду сложности процессов их обработки и полимеризации, а также значительного увеличения стоимости пропитанного бетона, не может быть рекомендовано для использования при зимнем содержании автомагистралей.  Вторым способом повышения водоустойчивости бетона является применение защитных слоев из практически водонепроницаемых материалов, чаще всего из эпоксидно-минеральных смесей. Известен способ защиты цементобетонных покрытий путем нанесения на поверхность бетона состава на основе эпоксидной смолы и извести. Несмотря на хорошие эксплуатационные характеристики таких покрытий, их применение ограничено из-за высокой стоимости эпоксидных вяжущих материалов, сложности и трудоемкости их осуществления, а также токсичности используемых материалов. Среди химических способов наибольшее распространение получило флюатирование – обработка бетона водорастворимыми кремнефтористыми соединениями. Исследованиями установлено, что бетон, обработанный кремнефторидами, обладает не меньшей стойкостью к совместному воздействию хлористых солей при попеременном замораживании и оттаивании, чем при пропитке льняным маслом. Недостатком метода химической обработки бетона является сложность технологии производства работ. Одним из перспективных мероприятий, направленных на повышение водоустойчивости бетона, является его физико-химическая обработка растворами веществ, придающих порам и капиллярам гидрофобные свойства. Наиболее эффективными гидрофобизаторами бетона являются растворы кремнийорганических соединений. За рубежом для поверхностной гидрофобизации используют в основном метилсиликонаты натрия и кальция. Результаты многочисленных исследований свойств бетонов, гидрофобизированных растворами кремнийорганических соединений, показывают, что такая обработка в 2-5 раз снижает водопоглощение бетона, не изменяя при этом его поропроницаемости и не загрязняя поверхность.

     3 Определение момента образования  гололеда 

     Для того, чтобы определить момент образования гололеда, используется система раннего оповещения об его образовании GFS 3000 и прибор для быстрого количественного определения содержания соли SOBO 20. В настоящий момент разработаны мероприятия по монтажу и вводу в эксплуатацию системы раннего оповещения об образовании гололеда GFS 3000 фирмы Бошунг Мекатроник. Функционирование системы контроля состояния дорожного покрытия, например, позволило бы дорожникам в зимний период заблаговременно принять все необходимые меры по недопущению образования гололеда на дорогах.    Система GFS 3000 представляет собой комплект датчиков дорожного покрытия, внешнюю измерительную метеорологическую станцию и центральный диспетчерский пункт (ЦДП). Принцип действия GFS 3000 состоит в моделировании процесса образования гололеда путем охлаждения поверхности датчиков до температуры ниже, чем температура дорожного покрытия, в которое они вмонтированы, определении метеорологических характеристик состояния атмосферы. По результатам анализа текущих показателей, а также динамики изменения погодных условий выдается прогноз о возможности образования гололеда не менее чем за 2 часа до его возникновения. Передача данных с измерительной станции осуществляется на ЦДП, который устанавливается в здании и представляет собой персональный компьютер, оснащенный соответствующим программным обеспечением. Это полный пакет для сбора и анализа данных, поступающих с датчиков измерительных станций, накопления их в памяти и обработки. Связь осуществляется по системе TETRA. Преимуществом системы раннего оповещения об образовании гололеда GFS 3000 является также тот факт, что при наличии одного центрального диспетчерского пункта она может быть расширена неограниченным количеством измерительных станций и датчиков.            При борьбе с гололедом на дорогах обязателен учет и того обстоятельства, какое количество соли от предыдущих нанесений еще осталось на дорогах. От этого фактора зависит эффективность нанесения противогололедных реагентов. Внедрение системы раннего оповещения об образовании гололеда GFS 3000 и прибора для быстрого определения содержания соли на дорогах SOBO 20 позволит обеспечить максимально эффективную эксплуатацию автомобильных дорог как с точки зрения безопасности движения, так и с учетом использования техники и расхода противогололедных реагентов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4 Методы борьбы с гололедом 

     Все мероприятия но борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах можно  разделить на три группы по целевой  направленности: мероприятия, направленные на снижение отрицательного воздействия  образовавшейся зимней скользкости (повышение  коэффициента сцепления колеса с  дорогой путем россыпи фрикционных  материалов); мероприятия, направленные на скорейшее удаление с покрытия ледяного или снежного слоя с применением  химических, механических, тепловых и  других методов; мероприятия, направленные на предотвращение образования снежно-ледяного слоя или ослабление его сцепления  с покрытием. Это профилактические методы борьбы с зимней скользкостью. В практике зимнего содержания для борьбы с зимней скользкостью применяют фрикционный, химический, физико-химический и другие комбинированные методы.

     Фрикционный метод является основным методом снижения отрицательного воздействия зимней скользкости. Суть его состоит в том, что по поверхности ледяного или снежно-ледяного слоя рассыпают песок, мелкий гравий, отходы дробления, золу, шлак и другие абразивные материалы размером частиц не более 5-6 мм без примеси глины. Россыпь производится пескоразбрасывателями или другими машинами. Наибольшее применение получил песок. На неопасных участках дорог нормы расхода песка от 200 до 700 г/м², или около 0,3-0,4 м³ на 1000 м² покрытия, на опасных спусках, перекрестках, кривых малого радиуса-нормы расхода удваивают. Преимущество метода в простоте, однако у него много недостатков. Рассыпанный абразивный материал повышает коэффициент сцепления до 0,3, но задерживается на проезжей части короткое время (не более 0,5 ч), сносится завихрениями после прохода автомобилей, разбрасывается колесами, сдувается ветром. Для восстановления сцепных свойств требуются частые посыпки и большое количество пескораспределителеи. Для повышения эффективности распределяют подогретый абразивный материал, который проникав в ледяную корку и после примерзания придает поверхности некоторую шероховатость. Значительно большее распространение получил комбинированный химико-фрикционный метод, когда рассыпают фрикциооные материалы смешанные с твердыми хлоридами NaCl, СаСl₂. Песчано-солевую смесь приготавливают на базах путем смешивания фрикционных материалов с кристаллической солью в отношении 90:10 (по весу соответственно). Достоинство песчано-солевых смесей в том, что они не смерзаются и не слеживаются. На неопасных участках нормы расхода песчано-солевых смесей от 100 до 400 г/м², или ОД-0,2 м³ на 1000 м² покрытия, а на опасных -0,3-0,4 м³. Песчано-солевые смеси распределяют пескоразбрасывателями или комбинированными дорожными машинами с универсальным оборудованием типов КДМ-130, ЭД-403. Такие смеси эффективнее, чем чисто абразивные Однако этот метод требует большого объема распределяемых материалов и большого числа машин для распределения, приводит к значительной коррозии автомобилей.

     Комбинированный химико-механический метод состоит в распределении по снежному накату твердых или жидких хлоридов, которые расплавляют и ослабляют снежно-ледяной слой, после чего рыхлую массу убирают плужными или плужно-щеточными очистителями, а при их отсутствии - автогрейдерами. Расход твердых хлоридов на 1 мм слоя замерзшей воды колеблется от 15 до 90 г/м², жидких хлоридов- от 0,08 до 0,15 л/м² в зависимости от вида хлорида и температуры воздуха. Для повышения эффективности и уменьшения расхода хлоридов принято устраивать в снежном накате продольные канавки глубиной до 2-5 см и шириной 6 см на расстоянии 2 см авто-грейдером, к ножу которого приварены зубья. Распределенные твердые или жидкие хлориды в основном собираются в канавках и быстро разрушают накат, который затем убирают плужно-щеточными машинами. Расход хлоридов сокращается на 30-40%.

     Химический  способ борьбы с зимней скользкостью заключается в применении для плавления снега и льда твердых или жидких химических веществ, содержащих хлористые слои. Физическая сущность взаимодействия хлористых солей с ледяной поверхностью состоит в гидратации ионов хлора молекулами воды. Этот самопроизвольный процесс сопровождается тепловыми явлениями и протекает до наступления динамического равновесия при данной температуре воздуха. Интенсивность процесса взаимодействия характеризуется плавящей способностью хлоридов q, т. е. количеством расплавленного льда 1 г соли при данной отрицательной температуре воздуха. Плавящая способность вначале возрастает во времени Т^b, а по мере наступления динамического равновесия-стабилизируется

     (1.2)

     q= aТ^b, 

     где а = 1÷5 - коэффициент, зависящий от вида хлорида; Ь = 0,25 ÷ 0,75 -коэффициент, зависящий от температуры воздуха.

     С понижением температуры воздуха  плавящая способность хлоридов снижается  и норму их расхода увеличивают. Кроме того, при плавлении льда образуются растворы, которые могут замерзнуть и стать причиной нового обледенения покрытия. Температура замерзания раствора зависит от его концентрации и вида хлоридов. Так, раствор хлористого натрия 23%-ной концентрации замерзает при t = 21°С, а раствор хлористого кальция 30%-ной концентрации- при t= - 50°С (рис. 1.0). Однако концентрация раствора может быть значительно меньшей. Поэтому минимальные температуры воздуха, при которых допускается применять твердые хлориды, ограничены от — 10 до — 20 °С, жидких- от -5 до -15°С. Для устранения снежно-ледяных отложений применяют твердые и жидкие хлориды, различные отходы промышленности.