CC BY
158
004.9: 625.768.6
А.М. Бессарабов, А.Н. Глушко, Т.И. Степанова, А.В. Лобанова
АНАЛИТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ХИМИЧЕСКИХ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КОНЦЕПЦИИ CALS
На базе концепции CALS разработана система компьютерного менеджмента качества химических противогололедных материалов (ПГМ). Проведены исследования наиболее перспективных ПГМ по важнейшим показателям качества, выполнена оценка агрессивности воздействия ПГМ на конструкционные материалы (сталь и бетон).
Компьютерный менеджмент качества, CALS-технологии,
противогололедные материалы
A.M. Bessarabov, A.N. Glushko, T.I. Stepanova, A.V. Lobanova
ANALYTICAL MONITORING OF CHEMICAL ANTI-ICING MATERIALS
BASED ON THE CALS CONCEPT
The computer quality management system for the chemical anti-icing materials (AIM) was developed based on the CALS concept. Researches for the most perspective AIM for the most important quality indicators were carried out, and also the estimation of aggression of influence for AIM on constructional materials (steel and concrete) was carried out.
^mputer quality management, CALS-technologies, anti-icing materials
Расширение сети автомобильных дорог, вызванное постоянным ростом автомобильного парка, увеличением объема грузооборота и перевозок пассажиров, предъявляет все более высокие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. В России наиболее сложным периодом остается зимний период, когда на дорожных покрытиях создаются условия к образованию различных видов зимней скользкости (снежного наката, мокрого снега, рыхлого снега, гололедицы/гололёда).
Вся система мероприятий по зимнему содержанию дорог должна быть построена таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить наилучшие условия для движения автомобилей, с другой - максимально облегчить, ускорить и удешевить зимнее содержание. В практике зимнего содержания автомобильных дорог для борьбы с зимней скользкостью применяют фрикционный, химический, физико-химический и другие комбинированные методы. Выбор конкретных мероприятий производится в зависимости от действия метеорологического фактора, на ликвидацию которого это мероприятие рассчитано
Основным способом борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах общего пользования в России является применение химических противогололедных материалов (111 М). Анализ зарубежного опыта показал, что в последние годы также все шире применяются различные химические материалы для борьбы с зимней скользкостью на дорогах и городских улицах. Так, в США используют около 10 млн. т хлористого натрия и 300 тыс. т хлористого кальция, во Франции - 1,2 млн. т, в Англии - 1,5 млн. т, в Дании - до 400 тыс. т, в Финляндии - до 150 тыс. т хлоридов и т.д. За последние годы для борьбы с зимней скользкостью стали применять наряду с хлористыми солями, экологически безопасные противогололедные материалы на основе ацетатов и формиатов, что значительно расширяет область применения химического способа [1].
Для автоматизации процедуры аналитического мониторинга химических 1ГМ во ФГУП «ИРЕА» по госконтрактам с «Мосдорэкспертнадзором» и Минобрнауки России (ГК 16.552.11.7010) разрабатывается система компьютерного менеджмента качества (КМК-система) [2]. Разработка проводится на базе наиболее современной информационной системы компьютерной поддержки - CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта) [3]. В CALS-системе выделены следующие 3 основных категории ПГМ: химические, фрикционные и комбинированные (рис. 1). В свою очередь, химические делятся на 2 подкатегории: твердые и жидкие, в то время как комбинированные и фрикционные ПГМ - твердые. Кроме того, по составу в категории химических ПГМ выделяют: хлориды, ацетаты, карбамиды, нитраты и природные рассолы, в категории фрикционных - песок, щебень, шлак и песчаногравийную смесь, а в категории комбинированных ПГМ - пескосоляную смесь.
Различают фрикционные ПГМ по происхождению искусственные (щебень, шлак) и естественные (песок, песчано-гравийная смесь (ПГС)). Они должны обеспечивать снижение зимней скользкости за счет повышения шероховатости снежно-ледяных отложений на дорожных покрытиях. Особую пользу абразивы приносят на заснеженной дороге в условиях низких температур, когда химические материалы теряют активность и их применение становится неэффективным. Основным преимуществом фрикционных материалов является мгновенное повышение шероховатости снежно-ледяных отложений (повышение коэффициент сцепления до 0,3).
Однако фрикционный метод не устраняет скользкость, а только на некоторое время уменьшает ее отрицательные последствия. При этом рассыпанный абразивный материал задерживается на проезжей части короткое время - не более 0,5 часа. Для увеличения эффективности фрикционных материалов на обледенелых покрытиях в настоящее время применяют два способа: нагрев ПГМ и/или обработка их твердыми или жидкими хлоридами.
Химический способ борьбы с образовавшейся зимней скользкостью заключается в применении для плавления снега и льда твёрдых или жидких химических веществ, содержащих соли. Применение химических реагентов позволяет расплавить и устранить лёд и снег, после этого покрытие становится мокрым, а затем высыхает. Таким образом, химический метод позволяет полностью ликвидировать зимнюю скользкость.
фПГМ PSM
файл (Правка Вид Настройки £
©* El Н
шша
в
Категории
0И| противогололедные I В £*|) Комбинированные ПГГ* >] £■) Пескосоляная сие
- а Фрикционные ПГМ
+ 1. Песок]
* га 2. Песчано-грави»] И Б 3. Шлак ® 4. Щебень
- а Химические ПГМ
Г отоео
Свойство
Значение
Наименование:
Описание:
1. Песок
га
а
+;
а
1. Хлориды
2. Ацетаты
3. Карбамиды
4. Нитраты
їй] Обработка песком - Aicrosoft Word
©ка ВИА Вставка Формат Сервис Хаблица Введите вопрос V X
Обработка Модуль Коэффициент сцепления Увеличение <р, %
снежно-ледяного отложения крупно- сти песка Лед Уплотненный снег Среднее значение [±1
Песком: мелким <2,0 0,20Е 0,217 0,212 20
средним 2,0 • 2,5 0,240 0,240 0,240 36 V
крупным >2,0 0,239 0,245 0,242 37 1
Не обработано - 0,197 0,156 0,176 0 о
*
= а|ш|э 51 < і. >
Стр. 1 Разд 1 1/1 На 8,3см Ст 10 Кол 1 руакмй (Ро Ш
Рис. 1. Элемент КМК-системы ПГМ. Виды противогололедных материалов: а - технологические показатели
) ITM.std - PSM
Qsa
Файл (Травка Вид Настройки ?
s Vi <ь ® й* м :
Свойство
а Химические ПГМ - |£| 1. Хлориды
Ы 1 • 1. Хлориды кальция № ХКМ жидкость в- и ХКФ твердый
К бв) 1. Органолептические показатели [+] 2. Физико-химические показатели
Е 3. Технологические показатели В НЙ 4. Экологические показатели
♦ ££ 4.1. Коррозионная активность на металл
- 4.2. Показатель агрессивного воздействж
Щ №{| 4.2.1. Сталь Е* И) 4.2.2. Бетон Я 4.3. Удельная эффективная активность е< Щ 4.4. Допустимое содержание химических е й 1-2. Хлориды натрия
Ш 1.3. Хлориды магния
* 2. Ацетаты
<
Готово
д Наименование: Описание:
4.2. Показатель агрессивного воздействия
“U Агре ссивмость воздействия Microsoft Word -'[ОІІЕЯІ
а Правке б*ід вставка Формат Сервис Таблица X
* о *
№ П/П Наименование Состав Нормы Агрессивность к 3
стали бетоиу
1 ХКМ жидкость раствор хлористого калывдо модифицированный, 32 % 40-110 мл/м2 + +
2 Лппіснсг-1 жидкость раствор ацетата аммония. 30 % 20 -43 мл/м2 +
3 Нордике-П жидкость раствор ацетата калия, 30 % 20 -45 г/м2 - +
4 ХКФ твердый хлористый кальций, ингибированный фосфатами 20 - 70 г/м2 + +
5 Бмомаг твердый хлористый маї ьягії м о,чі і фш (ир ов и инь пі 30 -80 г/м2 + +
■ a [tnj э W < Стр. 1 Рем 1 1/2 Не 8,5см Ст 14 Кол 1
Рис. 2. Элемент КМК-системы ПГМ по г. Москве. Экологические показатели: агрессивность ПГМ к стали и бетону
Химические ПГМ выпускают и применяют в твердом, жидком и смоченном виде. Сырьем для получения этих материалов чаще всего являются природные источники галита (№С1), бишофита (MgCl2•6Н2О), карналлита (КС1 MgCl2•6Н2О) или отходы химической, пищевой промышленности, а также минеральных удобрений (сильвинитовые, карнолитовые и др.). Кроме того, на многих территориях России широко распространены естественные рассолы. Они залегают на глубине 800 - 1000 м в артезианских бассейнах (пластовые вода), а также содержатся в солёных озёрах, лиманах. Естественные рассолы многокомпонентны с преобладанием ионов кальция, натрия, магния. На применение местных материалов нужно получить разрешение санитарно-эпидемиологической службы.
За период с июля по декабрь 2011 г. в испытательной лаборатории ИЛ «Реактив» ФГУП «ИРЕА» проведены испыгтания противогололеднык материалов различного состава (двух-, трех- и многокомпонентные ПГМ - в общей сумме свыше 1100 образцов): жидкие (на основе хлористого кальция и хлористого натрия), твердые(на основе хлористого кальция и хлористого натрия, на основе хлористого кальция, хлористого натрия и формиата натрия, на основе хлористого кальция, хлористого натрия, хлористого калия, формиата натрия и мраморного щебня.
Кроме того, на основе концепции СЛЬБ нами разработана КМК система химических противогололеднык материалов. В основу структуры КМК-системы (рис. 2) положена группировка ПГМ по химическому составу, включающая следующие 4 основные категории: хлориды (хлориды кальция, натрия, магния и ПГМ на их основе); ацетаты (ацетаты аммония, калия, кальция и ПГМ на их основе); карбамиды (мочевина, карбамидно-аммиачная селитра и ПГМ на их основе); нитраты (нитраты кальция, магния и ПГМ на их основе).
Каждый из этих, занесеннык в КМК-систему химических ПГМ, оценивается по ряду показателей, объединеннык в четыре подкатегории: органолептические (внешний вид, цвет, запах), физико-химические (массовая доля растворимых солей, зерновой состав, температура начала кристаллизации, влажность, массовая доля нерастворимых в воде веществ, водородный показатель, плотность, динамическая вязкость), технологические (плавящая способность, гигроскопичность, слеживаемость) и экологические (коррозионная активность на металл, показатель агрессивного воздействия на цементобетон, удельная эффективная активность естественных радионуклидов, допустимое содержание химических веществ, не относящихся к действующему веществу ПГМ - водорастворимая форма фтора, валовое содержание цинка, свинца, никеля, меди, ртути, молибдена, кобальта, кадмия, хрома, селена, мышьяка). Нормы по этим показателям устанавливаются, исходя из особенностей применения ПГМ для обработки дорожных покрытий.
В базы даннык созданного нами СЛЬБ-проекта КМК-системы (рис. 2) занесены индикаторы качества противогололедных материалов, применяемых на автомагистралях г. Москвы по «Временной инструкции по технологии зимней уборки проезжей части улиц и проездов с применением химических противогололеднык реагентов» УЖКХ Правительства Москвы [4]. Проведенные по этим индикаторам испытания показали, что жидкие противогололедные материалы из-за однородности состава, как правило, удовлетворяют предъявляемым требованиям, при этом характеристики твердых образцов химических ПГМ не всегда соответствуют нормам.
На основании системного анализа результатов аналитического мониторинга выявлены 3 основных показателя, являющихся лимитирующими при выборе ПГМ: массовая доля рас-творимык солей, зерновой состав и водородный показатель (рН). Несоответствия нормам этих показателей могут быть объяснены рядом причин:
- по показателям «Массовая доля хлористого кальция и хлористого натрия» наиболее вероятно, что несоответствие вызвано неоднородностью продукта, представляющего собой механическую (а не компактированную) смесь входящих в его состав компонентов;
- по показателю «рН» несоответствие также может быгть вызвано неоднородностью продукта, т.к. в некоторых случаях и при соответствии соотношения массовых долей хлористого кальция и хлористого натрия установленным требованиям замечено существенное завышение содержания хлористого кальция и занижение содержания хлористого натрия по сравнению со среднестатистическими результатами, что влияет на величину рН;
- по показателю «Зерновой состав» несоответствие может быть вызвано следующими причинами: особенностями производства ПГМ (например, неоснащенность промышленными ситами нужного размера или надлежащего качества), неправильным хранением ПГМ на базе или в процессе транспортирования, в результате чего продукт слеживается.
Рассматриваемый для Москвы ассортимент включает 5 наименований ПГМ на основе хлоридов и ацетатов (рис. 2а): «ХКМ жидкость», «Антиснег-1 жидкость», «Нордикс-П жид-228
кость», «ХКФ твердый» и «Биомаг твердый». Противогололедные материалы «Антиснег-1 жидкость» и «Нордикс-П жидкость» представляют 30% растворы ацетатов аммония и калия, соответственно, имеют одинаковые нормы расхода 20-45 мл/м и агрессивны только по отношению к бетону. При этом ПГМ на основе хлористого кальция «ХКМ жидкость» и «ХКФ твердый» представляют 32% модифицированный раствор и хлористый кальций, ингибированный фосфатами, соответственно. Эти ПГМ агрессивно воздействуют как на сталь, так и на бе-
22
тон и имеют нормы расхода 40-110 мл/м и 20-70, г/м соответственно. В рассматриваемый ассортимент также входит 111 М «Биомаг твердый», представляющий хлористый магний модифицированный. Как и реагенты на основе хлористого кальция, «Биомаг твердый» агрессивно воздействует на сталь и бетон и имеет нормы расхода 30-80 г/м2.
Ввод, редактирование и анализ информации по показателям качества проводился в комплексе PDM STEP Suite Enterprise Edition (PSS-EE), на который нами приобретена лицензия (APL-3451631-01). Применение CALS-стандарта (ISO 10303) при разработке информационной системы аналитического мониторинга позволяет повысить качество, и оперативность аналитических исследований. В конечном итоге, выбранная информационная технология позволяет создать эффективную систему контроля качества химических ПГМ, соответствующую международным стандартам.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Платонов А.П. Меры снижения воздействия противогололедных материалов на придорожные территории // Наука и техника в дорожной отрасли. 1997. № 2. С.11-17.
2. Bessarabov A.M., Zhdanovich O.A., Yaroshenko A.M., Zaikov G.E. Development of an analytical quality control system of high-purity chemical substances on the CALS concept basis // Oxidation Communications. 2007. V.30. N.1. P.206-214.
3. Bessarabov A.M., Zhdanovich O.A., Yaroshenko A.M., Zaikov G.E. Development of information CALS-technologies in the industry of chemical reagents and high-pure substances // Journal of the Balkan Tribological Association. 2005. V.11. № 3. P.429-437.
4. Глушко А.Н., Степанова Т.И., Подмарева О.Н., Бессарабов А.М. Анализ региональной транспортной инфраструктуры на примере противогололедных материалов // Партнерство бизнеса и образования в инновационном развитии региона : сб. науч. труд. X Межд. науч.-практ. конф. Тверь, ТФ МЭСИ, 2011. С.126-129.
Бессарабов Аркадий Маркович -
доктор технических наук, профессор, заместитель директора по науке Научного центра «Малотоннажная химия»
Глушко Андрей Николаевич -
первый заместитель директора ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)
Степанова Татьяна Игоревна -
аспирант ФГУП «Г осударственный научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)
Лобанова Арина Викторовна -
аспирант ФГУП «Г осударственный научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)
Статья поступила в редакцию 26.01.12, принята к опубликованию 12.03.12
