CC BY
44
Вестник ТГАСУ № 1, 2009
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 625.768.6
Г. С. МЕРЕНЦОВА, докт. техн. наук, профессор,
adio-06@mail.ru
Е.В. СТРОГАНОВ, аспирант,
adio-06@mail.ru
АлтГТУ, Барнаул
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УЛУЧШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕСКОСОЛЯНЫХ СМЕСЕЙ
Приведены результаты исследований по разработке нового антигололедного состава, позволяющего сократить расход антигололедных реагентов путем повышения плавящей способности, уменьшить коррозионную активность на металлические части автомобилей при введении ингибитора коррозии и снизить вредное воздействие на окружающую среду путем уменьшения загрязнения почвы ионами натрия при таянии снега. Применение предложенного антигололедного состава эффективно с экологической и экономической точек зрения.
Ключевые слова: Эффективный антигололедный состав, улучшение свойств пескосоляных смесей, комплексная антигололедная добавка, снижение температуры эвтектики, повышение плавящей способности, снижение коррозионной активности, уменьшение вредного воздействия на окружающую среду.
В большинстве регионов Юго-Западной Сибири для борьбы с зимней скользкостью покрытий автомобильных дорог применяют наиболее распространенный комбинированный противогололедный материал в виде пескосоляной смеси на основе традиционного хлорида натрия.
Традиционно используемая пескосоляная смесь на основе хлорида натрия обладает низкой плавящей способностью, что ограничивает температурный предел ее применения до -12 °С, высокой коррозионной активностью на металлические части автомобилей, цементобетон и асфальтобетон и отрицательным экологическим эффектом, который проявляется в ухудшении физических свойств почвы за счет высокого содержания в ней катионов натрия и снижении условий питания растений другими минералами. Поэтому при использовании традиционной пескосоляной смеси в качестве противогололедного материала необходимо уменьшать отрицательное влияние хлорида натрия путем применения добавок с более высокой плавящей способностью,
© Г.С. Меренцова, Е.В. Строганов, 2009
низкой коррозионной активностью и благоприятным воздействием на окружающую среду.
В настоящее время сложилось достаточно противоречивое мнение о влиянии хлоридов, входящих в состав противогололедных реагентов, на эффективность плавления снега и льда, на окружающую природную среду, коррозионную активность на металлические части автомобиля.
С целью устранения вышеуказанных недостатков проводились экспериментальные исследования по разработке нового эффективного антигололедного состава, при этом рассматривалась вся совокупность свойств применяемых веществ: плавящая способность, температура кристаллизации, коррозионная активность на металл, асфальтобетон и цементобетон, склонность к слёживанию, последствия для окружающей среды, экономическая эффективность.
В качестве компонентов нового комплексного антигололедного состава (КАС) использовались местные материалы и комплекс органоминеральных добавок (КОМД), побочных продуктов химической промышленности Алтайского края. Антигололедный состав подбирался с учетом функционального влияния каждого компонента на совокупность органолептических, физикохимических, технологических и экологических свойств. На разработанный состав получен патент РФ [1].
В качестве основного компонента принят традиционный хлорид натрия (№С1) - наиболее распространенный противогололедный материал в большинстве дорожных организаций Западной Сибири. Он имеет самую невысокую стоимость из всех возможных для использования в этом качестве промышленно выпускаемых материалов. Кроме того, могут применяться многочисленные отходы промышленности, в химическом составе которых содержится более 95 % КаС1.
Повышение плавящей способности и скорости плавления льда достигалось применением железосодержащей добавки (1,5-2 %), обладающей повышенным антигололедным эффектом.
Агрессивное воздействие на металл снижалось за счет введения ингибитора коррозии - карбамида, в количестве 2-4 %, который, в свою очередь, кроме ингибирующего действия, положительно влияет на окружающую среду, а именно: оказывает нейтрализующее действие на кислую почву и улучшает условия питания растений другими минералами. Присутствие в составе нового исследуемого комплексного материала песка с модулем крупности от 2 до 3 обеспечивает требуемый коэффициент сцепления.
Практическое значение имеют продолжительность периода взаимодействия системы лед - хлорид и интенсивность плавления во времени при разных температурах. По экспериментальным данным, при равных условиях наиболее длительное время плавления льда бывает при отрицательных температурах, близких к 0 °С. Наиболее интенсивно лед плавится в течение первого часа. С понижением температуры продолжительность плавления льда быстро убывает, особенно в интервале температур от 0 до минус 10 °С. Так, например, 1 кг хлорида натрия при -4 °С плавит 6,3 кг льда, а при -12 °С -4,8 кг. В отличие от него при использовании нового антигололедного реагента КОМД при -4 °С плавится 10,3 кг льда, при -12 °С - 7,8 кг.
Каждый вид хлорида взаимодействует со льдом в определенном температурном диапазоне. Предельные температуры соответствуют насыщенным растворам, которые при указанных предельных значениях температур полностью замерзают и образуют твердую смесь из льда и соли. У разбавленных растворов температура замерзания зависит от концентрации раствора. Разбавленный раствор хлорида натрия имеет температуру гораздо выше, чем концентрированный, и может замерзнуть, вызвав дополнительную скользкость. Поэтому необходимо учитывать показатель рабочей температуры, который для исследуемого хлорида натрия Бурлинского солепромысла составляет -8-12 °С, а точки эвтектики при концентрации 23 % раствор достигает при -21 °С. Рабочая температура нового антигололедного реагента КОМД составляет -20 °С, что позволяет использовать его при более низких температурах. Об этом свидетельствует диаграмма фазового состояния системы «соль - вода», представленная на рис. 1.
Концентрация растворов, % по массе
------Май!;-ЫаО! (Бурлинский солепромысел);-------КОМД.
Рис. 1. Диаграмма фазовых состояний растворов
Из диаграммы видно, что кривая замерзания раствора хлорида натрия Бурлинского солепромысла из-за наличия в его составе примесей отличается от кривой замерзания химически чистого хлорида натрия, а раствор КОМД замерзает при температуре -24 °С и концентрации 26,87 %.
Плавление льда с помощью солей нового антигололедного состава -сложный синергетический физико-химический процесс. Благодаря гигроскопичности железосодержащей соли, которая покрывает кристаллы других солей, входящих в состав КОМД, она интенсивно впитывает влагу из воздуха. При этом на поверхности кристаллов образуется тонкий слой насыщенного раствора, а из обволакивающего раствора в адсорбированную льдом влагу будут переходить ионы солей. Отделение ионов от поверхности кристаллов соли, соприкасающихся с жидкостью, вызывается собственными колебательными движениями микрочастиц, а также их притяжением молекулами воды. В результате этого происходит растворение вещества, а также одновременно
диффузия ионов растворяемого вещества в воде с образованием раствора. Благодаря большей скорости растворения меньшее количество КАС затрачивается в период снегоуборочных работ. Процесс растворения химических веществ сопровождается тепловыми явлениями. Тепловой эффект при растворении поваренной соли эндотермический, чем объясняется первоначальное замедленное действие хлорида натрия на лед по сравнением с КОМД, у которого реакция растворения экзотермическая.
С увеличением массы льда при понижении температуры объем растворителя в растворе убывает, а концентрация раствора увеличивается с соответствующим понижением температуры замерзания растворителя. По данным Бьерстенской научно-исследовательской лаборатории [2], противогололедные свойства реагентов зависят от влияния растворяемых веществ на точку таяния вещества, в котором они растворяются. Влияние всегда является наиболее низким при температуре таяния. Величина понижения в основном зависит от количества молекул или ионов, присутствующих в растворе (она примерно пропорциональна этому количеству), и почти полностью не зависит от природы, размера или массы растворенных частиц. Ввиду этого низкий молекулярный вес материалов свидетельствует о возможности обеспечения наиболее низких точек замерзания для данной массы растворенных веществ в растворителе. Растворимость же применяемых веществ характеризует степень понижения точки замерзания и может оказывать влияние на точку таяния растворителя. Об этом свидетельствуют данные, приведенные в таблице.
Зависимость между растворимостью и эвтектикой противогололедных реагентов
Противогололедные вещества Растворимость вес. %, при Эвтектика с водой
-10 °С 0 ° О О ° О Противогололедное вещество, % Температура, °С
№С1 25,4 26,3 26,3 23,3 -21,1
МмС12 33,1 34,6 34,9 24 -50
СаС12 35,7 39,4 42,7 29,8 -55
РеС13-6И20 39,8 42,7 45 33,12 -55
КОМД 27,1 29,5 30,2 26,87 -24
Основным показателем противогололедного вещества является его способность эффективно плавить лед. Значения плавящих способностей, приведенных на рис. 2, позволяют оценить эффективность применения реагентов при различных температурах.
---------- ЫэС1;----------------------КОМД.
Рис. 2. Зависимость изменения плавящей способности ПТР в зависимости от температурного режима их применения
Из полученных данных следует, что наиболее эффективен для плавления льда КОМД, возможности хлорида натрия ему существенно уступают.
Антигололедные составы исследовали на коррозионную активность. Результаты исследования оценивали по потере массы стали через 85 часов. Ускорения коррозионного процесса достигали погружением образца металла в раствор противогололедного материала определенной концентрации с последующим его высушиванием на воздухе и в сушильном шкафу и выдерживанием в паровоздушной среде 100 %-й влажности. Для устранения коррозии вводился ингибитор коррозии - карбамид, который характеризуется хорошей плавящей способностью, снижает воздействие противогололедных добавок на металл и не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. Результаты определения коррозионной активности приведены на рис. 3.
- ЫэС1;----------------- КОМД.
Рис. 3. Изменение коррозионной активности противогололедных материалов в зависимости от концентрации растворов
Анализ данных, приведенных на рис. 3, свидетельствует о том, что в результате введения ингибитора коррозионная активность состава КОМД уменьшается более чем в 3 раза по сравнению с обычной пескосоляной смесью на основе технической соли, кроме этого, улучшается эффективность плавления в 2 раза, что позволяет снизить расход применяемой противогололедной композиции.
Проведены исследования влияния ПГМ на экологию окружающей среды, в том числе на зеленые насаждения. Выполнена оценка энергии прорастания семян растений как при раздельном, так и комбинированном действии солей в водных растворах в широком диапазоне их концентраций (от 1 до 50 г/л). Энергия прорастания определялась в соответствии с нормативными требованиями с введением дополнений, связанных с наличием в жидкой фазе исследуемых химических компонентов соответствующей концентрации растворов. За контрольный состав принята обычная вода. Установлено, что при концентрации до 2 г/л значимые эффекты не проявляются, а наибольшую толерантность проростки проявляют к комплексной органоминеральной добавке КОМД [3].
Для выявления экономической эффективности добавок осуществлялось экономическое сравнение использования разработанного состава и традиционной пескосоляной смеси. Применение разработанной добавки КОМД экономически эффективно, так как борьба с зимней скользкостью разработанным новым антигололедным реагентом дает значительные выгоды по сравнению с обычной ПСС. Распределительных машин требуется в 2 раза меньше за счет снижения расхода разработанного состава.
Экономический эффект определялся при распределении на 100 км в длину и 7,0 м в ширину при использовании обычной пескосоляной смеси и разработанного нового состава. В результате расчета были определены приведенные сопоставимые затраты, которые на 36 % меньше при использовании разработанного состава для борьбы с зимней скользкостью, чем при использовании обычной пескосоляной смеси на основе №0 [4].
Выводы
Разработан новый антигололедный состав пескосоляной смеси. Выбор отдельных химических компонентов обоснован физико-химическими процессами, влияющими на плавящую способность и изменение коррозионной активности. Антигололедный состав оценен с учетом эколого-экономических аспектов. Выявлена энергия прорастания растений в широком диапазоне концентраций растворов, что позволило установить оптимальное соотношение отдельных химических реагентов.
Эффективность применения нового комплексного антигололедного состава обоснована экономическим сравнением с применением традиционной песксоляной смеси на основе хлорида натрия. При применении нового состава и разработанной технологии производства работ приведенные сопоставимые затраты снижаются на 36 %.
116
Вестник ТГАСУ № 1, 2009
Библиографический список
1. Пат. RU № 2285712С1, МПК С09К 3/18 Антигололедный состав / Меренцова Г.С., Строганов Е.В., Заяв. № 2005122812/04, 18.07.2005; Опубл. 20.10.2006. Бюл. № 29.
2. Васильев, А.П. Борьба со снегом и гололедом на транспорте : материалы 2-го международного симпозиума, состоявшегося 15-19 мая 1978 г., Ганновер, шт. Нью-Гэмпшир, США /А.П. Васильев. - М. : Транспорт, 1986. - 216 с.
3. Меренцова, Г. С. Экологическая оценка воздействия противогололедных материалов на окружающую среду в придорожной полосе [Электронный ресурс] / Г.С. Меренцова, Е.В. Строганов // Сбрник 4-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция Строительство, подсекция Строительство автомобильных дорог и аэродромов. - АлтГТУ. - 2007. -http://edu.secna.ru/main/review
4. Меренцова, Г.С. Разработка эффективных антигололедных веществ для борьбы с зимней скользкостью покрытий автомобильных дорог в условиях Западной Сибири / Г.С. Меренцова, Е.В. Строганов // Сборник материалов Всероссийского семинара заведующих кафедрами экологии и охраны окружающей среды. - Пермь : Изд-во РИО ПГТУ, 2006. -С. 94-99.
G.S. MERENTZOVA, E.V. STROGANOV
PHYSICS-CHEMICAL FACTORS INFLUENCING ON THE IMPROVEMENT OF TECHNOLOGICAL AND ECOLOGICAL PROPERTIES OF SAND AND SALT MIXTURES
The results of the researches devoted to the development of a new antislippery composition are presented in the paper. The composition allows to decrease the antislippery reagents by the increasing the melting ability. The influence of corrosion on metallic parts of cars is reduced by the introduction of corrosion inhibitor. The composition reduces harmful influence on the environment because of the decrease of soil pollution by sodium ions during melting of snow. The use of antislippery composition is effective from ecological and economic point of view.
УДК 625.855.3:539.377
А.Л. БАЗИЛЕВИЧ, аспирант,
Skier1111@yandex.ru
А.И. КУДЯКОВ, докт. техн. наук, профессор,
Skier1111@yandex.ru ТГАСУ, Томск
ТЕМПЕРАТУРНАЯ СЕГРЕГАЦИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Предложен и установлен метод оценки температурной сегрегации асфальтобетонных смесей, а также предложены мероприятия, направленные на понижение температурной сегрегации при транспортировке асфальтобетонной смеси к месту укладки.
© А.Л. Базилевич, А.И. Кудяков, 2009
