CC BY
50
УДК 331.45.001.85
Б01: 10.15587/2313-8416.2017.116601
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЮ НА ЩЕБЕНОЧНОЙ АВТОДОРОГЕ
© О. В. Нестеренко, Т. А. Комиссаренко, Н. В.Домничев
В данном исследовании рассмотрены проблемы пылеподавления на щебеночной автодороге. Приведены расчеты описывающие положение и скорость частицы в момент ее движения. Рассмотрены решения по удержанию пыли, путем нанесения на полотно дороги растворов солей хлоридов, а также бишофи-та. Приведены сравнения эффективности связывания дорожной пыли водным раствором природного бишофита с раствором хлористого кальция и водой, влияние расхода бишофита на интенсивность пы-левыделения из щебеночной смеси автодороги
Ключевые слова: проблемы пылеподавления, частица пыли, удержание пыли, аэрозольные частицы, би-шофит, карьер.
1. Введение
При эксплуатации автотранспорта в карьере вредному воздействию пыли подвергаются не только автомобили и водители, но и горнорабочие, которые работают в непосредственной близости к дороге, поэтому борьба с пылением автодорог в карьере является актуальной задачей. Обрабатывать дороги целесообразно такими реагентами, которые, с одной стороны, способны достаточно длительное время удерживать пыль в связанном состоянии, а с другой стороны, быть достаточно дешевыми и недефицитными [1, 2]. Однако эффективные технологии обработки дорог со щебеночным покрытием базируются на использовании современных материалов (отходы производства целлюлозы, переработки нефтепродуктов и т.д.), которые производятся за пределами Украины, что является существенным сдерживающим фактором на пути их применения.
2. Литературный обзор
В конструкции щебеночных дорог, по которым перемещается горная маса автомобильным транспортом, предусмотрено наличие так называемого конструктивного слоя износа, который покрывает крупный щебень дорожного полотна [3]. Указанный слой, в свою очередь, формируется из отходов производства крупных фракций щебня [4], в состав которого входят пылевидные частицы. Эти частицы необходимы для омоноличивания (упрочнения) слоя износа. Так как полотно дороги при прохождении автомобиля постоянно прогибается, а материал находится в сложном напряженном состоянии, то для обеспечения заданной прочности конструктивного слоя износа в отсеве щебня должно присутствовать от 4 до 12 % пылевидных частиц [5]. Кроме этого в отсев дополнительно попадает до 80 % пылевидных частиц размером до 0,25 мм, образующихся при истирании колесами автомобилей даже прочных пород щебня [6, 7]. При этом сверхмалые частицы из этого состава коагулируются в агрегаты более 10 мкм и находятся на поверхности полотна дороги в псевдожидком состоянии.
При прохождении автомобилей вся маса пылевидных частиц приходит в движение и поднимается в воздух, загрязняя атмосферу.
3. Цель и задачи исследования
Цель исследования - разработка практических методов по снижению пылеобразования на на щебеночной автодороге.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- Провести анализ движение сферической аэрозольной частицы в однородном воздушном потоке.
- Осуществить анализ существующих решений по удержанию пыли, в т.ч. путем нанесения на полотно дороги растворов солей хлоридов, а также бишофита.
- Сравнение эффективности связывания дорожной пыли водным раствором природного би-шофита с раствором хлористого кальция и водой.
4. Исследование эффективности связывания дорожной пыли водным раствором природного бишофита с раствором хлористого кальция и водой
Рассмотрим движение сферической аэрозольной частицы в однородном воздушном потоке. Для простоты будем учитывать только силу тяжести предполагается, что движение происходит только в стоковской области. Дифференциальное уравнение движения частицы имеет вид:
du _ _ —
m-= in^d(u —u) + mqG .
dt
(1)
где т - масса частицы; л - вязкость воздуха, при нормальных условиях л = 1,83-10-4 г/м-с; ё - диаметр частицы; и - скорость воздушного потока вблизи частицы; й - скорость центра тяжести частицы; О -единичный вектор в направлении силы тяжести частицы.
Разделим обе части уравнения на ЪпЦ и получим
m du _ _ mq — - + u= u +-— G .
in/ud dt
in fid
Введем обозначение
m
т = -
Ъл/ud
(2)
(3)
и перепишем уравнение (2)
du _ _ -
т--hu = u + TqG .
dt
(4)
Отметим, что коэффициент т имеет размерность времени.
Для сферической частицы
m =
nd ъ(рг -ре) 6
(5)
где рг - плотность вещества частицы; рв - плотность воздуха.
Поскольку рг >>рв, имеем
1 d2 т =----рг.
18 и r
(6)
Во всех этих уравнениях и и тдО - два вектора. Сложение этих постоянных векторов даст один постоянный вектор в (рис. 1), величина которого будет равна сумме векторов в = и + тqG.
Рис. 1. Сложение векторов и и тдО
Подсчитаем величину для частиц пыли, например, гранита
рг =2,65 г/см3, d=10 мкм+10-10-4 см=1-10"3 м
1
(Ы0-3 )■
18 1,83 -10-
• 2,65 =
= 0,0804-10 2 = 8,04•Ю-4 с
При ветре и=5 м/с=500 м/с и а=90°, имеем
в2 = u2+{zq)2 + 2г/• (rg)cos90 = u2+{zq)2 = = 5002 + (8,04• 981-10-4)2 = 5002 + (0,79)2 и5002; в = 500 м/с.
Тогда, используя параметры т и в, уравнение (4) перепишем так
du _ _
Т--+U = U .
dt 0
(7)
Пусть декартова система координат выбрана так, что при 1=0 частица находится в начале координат. Путем вращения координат ось Х расположим параллельно вектору в . Тогда вектор начальной скорости лежит в плоскости ху, и может быть разложен
на составляющие и и u :
и = и + и .
o xo yo
(8)
Уравнение (7) в векторной форме сводится к двум скалярным уравнениям
du
Т--h Ux1 = в ,
dt x1
duh „
т~ииг+u =0,
(9)
(10)
Уравнение (9) описывает движение частицы вдоль оси х, а уравнение (10) - вдоль оси у. Запишем начальные условия
1=0; *!=0; у!=0;
1=0; х0=¥Х0; Уо=Ууо
и проинтегрируем уравнение (9) и (10) в осях х'-у'
V = в + (V - в)е-7 ; (11)
V = V ет
У1 Уо
X = et + t(V - в)(1 - е т);
у =V (1-е-т ) .
(12)
(13)
(14)
Уравнения (11)-(14) описывают положение и скорость частицы в любой момент ее движения.
Для примера рассмотрим движение частицы диаметром ё=10 мкм=10-10-4 см=10-3 см и р-2,65 г/см3, т=8,04-10-4 с, которая попадает в поток воздуха, имеющий горизонтальную скорость 30,5 м/мин=50,83 см/с (скорость движения нагруженного автомобиля). Рассчитать скорость частицы через 10-3 с после ее попадания в поток.
Сначала определяем модуль вектора. Он равен
в = ^и2 + (zq)2 (рис. 2)
Поскольку тд = 8,04 -10-4 • 981-0,79 см/с, то
в = 7 (50,83)2 + (0,79)2 = 50,84 см/с.
=
Угол поворота а равен
rq 0,79 „
tga= — = —-= 3,056;
и 50,84
а = 0,02\ Поэтому
V = rq cos(90° - а) = rq sin а = = 0,79 • 3,491 10-4 = 2,76• 10-4 см / с
А Vo =rqcos = 0,79 •l = 0,79 см/с.
í
Следовательно, в этом случае ось х можно считать направленной горизонтально.
Теперь рассмотрим движение пылевой частицы диаметром й=Ъ0 мкм=30-10-4 см=3-10-3 см и плотностью и р-1 г/см3.
Предположим, что частица также попадает в горизонтальный поток воздуха, имеющий скорость 30,5 м/мин=50,83 см/с.
Рассчитать скорость частицы через 1 мс/10-3 с.
Вычисляем параметр т
т =^ рг = -1 = 2,73-10-3.
18 л 181,83 -10 4
Скорость оседания частицы равна
тд = 2,73-103 -981 = 2,7 см/с.
Вычисляем вектор в в =Л/ы2 + Т)2 =^1(50,83)2 + (2,7)2 = 50,9 см/с.
Находим угол поворота
Гга=ТТТд = = 0,0531; и 50,83
а = 3,04 ; вша =0,0530; сое а =0,998.
В исследуемой системе
= 2,7-sin(3,04 ) = 2,7-0,0530 = 014 см/с
V, = 2,7-cos(3,04 ) = 2,7-0,998 = 2,7 см/с.
_ l ió.1
2.7310-4
= 0,693.
Вычисляем компоненты скорости
t
V = в+(V о - в) ^ = = 5,09 + (0,14 - 5,09) • 0,693 = 15,72см / с;
Гу = Vyoе ' = 2,7• 0,693 = 1,87 см/с.
Теперь нееобходимо вернуться из искусственной системы координат в реальную. Горизонтальная скорость равна
V = V • cos а- V, • sin а =
н x
= 15,72 • 0,998 -1,87 • 0,0530 = 15,59см / с;
Вертикальная скорость равна
V = V • sin а - V • cos а =
= 15,71 • 0,0530 + 1,87 • 0,998 = 2,7см / с.
Аналогично можно вычислить координаты частиц пыли размерами до 50 мкм, которые наиболее опасные для человека и механизмов.
Для типичных размеров частиц экспоненциальные функции [8, 9] быстро убывают и частица очень быстро приобретает скорость турбулентного неуправляемого воздушного потока.
Следовательно, поднятые автомобилями минеральные частицы при последующем планировании имеют большую скорость в горизональной плоскости, чем в вертикальной. Это в значительной степени усложняет вынос частиц пыли вертикальными воздушными потоками, образующимися в карьере.
Одно из решений задачи по удержанию пыли в конструктивном слое износа автомобильной дороги со щебеночным покрытием находится в обработке её полотна растворами солей хлоридов, которые позволяют связывать сверхмалые минеральные частицы в крупные агрегаты не способные планировать в воздухе.
Основные физико-химические свойства основных солей промышленного производства представлены в табл. 1. В данной таблице приведены в частности коэффициент поверхностного натяжения, растворимость в воде, а также агрессивность к окружающей среде [10, 11].
Следует отметить, что реагенты на основе NaCl и KCl, после исследований их свойств при пы-леподавлении в жидком виде, практически не ис-пользуюся из-за их агрессивности к живой и неживой природе, а также к металлам [12, 13]. В противном случае возникает необходимость введения в растворы ингибиторов коррозии, что усложняет и удорожает их применение.
Таблица 1
Основные физико-химические свойства солей входящих в растворы_
Показатели Водные растворы солей
№С1 СаС12 МяСЬ
Радиус катионов, м-10-10 0,98 Са2+ 1,06 Мм2+ 0,78
Коэффициент поверхностного натяжения, Н/м При концентрации 20 % 0,077 При концентрации 29 % 0,081 При концентрации 20 % 0,083
Содержание хлоридов в солях, % 93-99,7 67-95 24-27
Растворимость в воде, кг/кг 0,357 при 10 °С 0,745 при 20 °С 0,356 при 20 °С
Удельная плотность, кг/м3 2165 1680 1560
Температура кристализации, °С - 45,3 116,7
Агрессивность Агрессивный к металлам Агрессивный к металлам Агрессивный к алюминиевым сплавам
Гигроскопичность Соли и растворы гигроскопичны, особенно хлористый магний
Пожароопасность пожаробезопасные
Существенное значение для связывания дорожной пыли, особенно в полузамкнутом пространстве карьеров, при температуре воздуха свыше +30-40 °С и слабом его движении играет связанная в кристаллах солей вода. Однако, существенным недостатком в распространенном растворе соли СаС12-И20 является неспособность удерживать, после испарения воды из раствора, внутреннюю кристаллическую влагу, так как при достижении температуры +30 °С и выше хлористый кальций начинает терять эту влагу (в начале две молекулы воды), а при +45,3 °С - кристаллизуется. Такой механизм удаления воды из раствора и кристаллов приводит к тому, что в условиях указанных температур, сопровождаемых, к тому же, низкой влажностью воздуха, хлористый кальций спобствует пересыханию пыли в верхней части дорожного полотна. Это, на ряду с высокой его корозийностью, является существенным недостатком.
В отличие от кристаллогидратов хлористого кальция, хлорид магния MgQ2•6Н2О существует до положительной температуры +116,7 °С в виде расплывчатых, аморфных кристаллов, обладающих гигроскопичностью выше, чем хлористый кальций (табл. 1)
Важной особенностью хлористого магния является то обстоятельство, что радиус его катионов на одну треть меньше кальция хлористого [10, 11]
Это способствует созданию более плотных, хотя и аморфных. солевых мостиков, связывающих отдельные пылинки и их агрегаты [14, 15].
К этому следует добавить еще одно важное свойство хлористого магния, которое имеет существо-венное значение при экспуатации автомобильных дорог с нежестким покрытием - худшая в сравнении с другими солями растворимости в воде (табл. 1). Зависимость интенсивности испарения влаги из щебеночной смеси приведена на рис. 3.
Указанное свойство влияет положительно не только на процесс омоноличивания материала в щебеночной смеси и его механическое упрочнение, но и выноса из её состава мелких связующих частиц при осадках в виде ливневых дождей и талых вод.
кг/м2ч
0.4
0.3
0.2
0.1
1
(ро=0,5 2
<ро=0,б
//
3 <ро=0,7
10
12
14
W.%
Рис. 3. Зависимость интенсивности испарения влаги из щебеночной смеси фракции 0-25мм от содержания жидкости (1,2 - воды и 3 - раствора бишофита)
5. Результаты исследования и их обсуждение
Проведенные исследования по пылеподавле-нию на щебеночной автодороге в промышленных условиях в карьерах Кривбасса позволили выявить большую эффективность связывания дорожной пыли водным раствором природного бишофита (рис. 4) в сравнении с таким же раствором хлористого кальция и водой. При этом установлено, что критическая скорость массового уноса пыли, обработанной раствором бишофита, в 3-5 раз выше, чем смоченной водой.
В условиях применения для омоналичивания крупного щебня в конструкции дороги отсевам его производства из местных пород Кривбасса коеффи-циент пористости, приходящий на единицу площади полотна дороги составляет 0,22, а мелкие минеральные частицы начинают концентрироваться на глубине 10-20 мм от поверхности. Исходя из этого объема и коэффициента пористости, оптимальный рас-
четный расход бишофита при первинном применении составляет 2,0-2,2 л/м2
Вместе с тем, промышленные исследования показали, что для повышения эффективности связывания пыли непосредственно в слое износа автодо-
роги, обработку полотна раствором бишофита следует проводить в два этапа, соответствующих экстремальным значениям суточной температуры - днем с расходом 70 % (1,2-1,5 л/м2), а расход ночью - 0,51,0 л/м2 (оставшиеся 30 %) табл. 2 [18].
№ п/п Первичный расход, л/м при t=31°C Повторный, изменяющийся, л/м2 при t=120С Вынос пыли, мг/м2-С
1 0,5 0,5-1,5 15
2 1,0 0,5-1,5 11
3 1,2 0,5-1,5 10
4 1,5 0,5-1,5 2
Таблица 2
Влияние расхода бишофита на интенсивность пылевыделения из щебеночной смеси автодороги
Рис. 4. Зависимость времени испарения влаги из щебеночной смеси, обработанной бишофитом, от скорости ветра при ф0=0,7 при температуре воздуха 30-34 °С (1 -раствор природного бишофита; 2 - вода), приспеднем диаметре зерна d=18 мм, влагосодержании в смеси 16 % в условиях ограничения пыления щебеночных дорог санитарным нормам >2мгм3 [19].
Двукратная обработка полотна дороги: днем при высокой температуре, а ночью, когда температура воздуха падает, позволяет снизить пыление в 5-6 раз [16, 17].
Наряду с этим, следует отметить, что применять раствор природного бишофита отдельно в качестве смачивается пыли нецелообразно в виду большой его поверхностной энергии [14], обусловленной
большим коэффициентом поверхностного натяжения, которая на 10-20 % больше чем у воды. Его следует использовать после предварительного смачивания щебеночно смеситехнической водой, что в 8-10 раз повышает скорость фильтрации его в нижние конструктивные слои и наряду с этим повышает запас воды для капиллярного смачивания щебеночной смеси в слое износа дороги. К тому же, максимальное объемное содержание раствора в щебеночной смеси должно составлять 14-16 % при удельной его плотности 1170-1260 кг/м3 [16].
6. Выводы
Результаты исследований свидетельствуют:
1. Эффективность связывания дорожной пыли водным раствором природного бишофита является большей, относительно такого же количества раствором хлористого кальция и водой.
2. Критическая скорость массового уноса пыли, обработанной раствором бишофита, в 3-5 раз выше, чем смоченной водой.
3. Для повышения эффективности связывания пыли непросредственно в слое износа автодороги, обработку полотна раствором бишофита следует проводить в два этапа, соответствующих экстремальным значениям суточной температуры.
4. Наиболее опасным является распространение пылевого облака в области щебеночной дороги в карьере в горизонтальной поверхности.
Благодарности
Авторы статьи благодарят Радченко И. С. за предоставленную консультацию при математическом моделировании процессов.
Литература
1. Иголкин, Н. И. Содержание и ремонт автомобильных дорог [Текст] / Н. И. Иголкин. - М.: Автотранспортиздат, 1963. - 367 с.
2. ДСТУ Б В.2.7-34-95. Щебшь iз вмщающих прських порщ та вщходш сухого магштного збагачення затзистих кварцитв прничо-збагачувальних комбшапв i рудникв Украши [Текст]. - К.: Держстандарт Украши, 1966. - 12 с.
3. Барон, Л. Н. Абразивность горных пород при добывании [Текст] / Л. Н. Барон, А. В. Кузнецов. - М.: Изд-во АН СССР, 1971. - 168 с.
4. Тохтуев, Г. В. Физико-механические свойства горных пород Кривбасса [Текст] / Г. В. Тохтуев, В. Г. Борсенков,
A. В. Титлянов. - К.: Госгортехиздат УССР, 1962. - 102 с.
5. Куприянов, В. А. Использование вскрышных пород в дорожном строительстве [Текст] / В. А. Куприянов,
B. Н. Шухов, В. М. Соловьев и др. // Автомобильные дороги. - 1978. - № 2. - С. 11-12.
6. Одинцов, Б. Н. Щебень из сопутствующих вород Криворожского железорудного басейна [Текст] / Б. Н. Одинцов, Г. Н. Бондаренко, Г. Ф. Неаронова // Автомобильные дороги. - 1975. - № 119. - С. 15.
7. Назарова, Ю. Н. Разработка способов борьбы с пылью на автодорогах угольных карьеров в климатических условиях южной Якутии [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Ю. Н. Назарова. - М., 1990. - 204 с.
8. Фриш, С. Э. Курс общей физики [Текст] / С. Э. Фриш, А. В. Тимофеева. - М.: Физматгиз, 1961. - 384 с.
9. Яблонский, А. А. Курс теоретической механики. Ч. II [Текст] / А. А. Яблонский. - М.: Высшая школа, 1962. - 372 с.
10. Справочник химика [Текст] / под ред. Б. П. Никольского. - М.: Химия, 1966. - 976 с.
11. Лапшин, А. Е. Характеристика процессов в технологи противопылевой обработки щебёночной дороги растворами солей [Текст] / А. Е. Лапшин, О. В. Нестеренко, Л. В. Ермак, В. Н. Назаренко // Разработка рудных месторождений. -Кривой Рог, 2004. - С. 73-75.
12. ТУ 25. Украина. 22529511-003-97 Раствор природного бишофита [Текст]. - К.: Бунау, 1995. - 11 с.
13. Першин, М. Н. Применение карналита для обеспыливания автомобильных дорог [Текст] / М. Н. Першин, А. П. Платонов, К. П. Глинская, А. А. Митянин // Автомобильные дороги. - 1969. - № 12. - С. 13-14.
14. Сумм, Б. Д. Физико-химические основы смачивания и растекания [Текст] / Б. Д. Сумм, Ю. В. Горюнов. - М.: Химия, 1976. - 231 с.
15. Марченко, Р. Т. Физическая и коллоидная химия [Текст] / Р. Т. Марченко. - М.: Высшая школа, 1965. - 373 с.
16. Нестеренко, О. В. Повышение эффективности обеспыливания автомобильных дорог в карьерах [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / О. В. Нестеренко. - Кривой Рог, 2008. - 147 с.
17. Нестеренко, О. В. О закреплении слоя износа на автомобильных дорогах щебеночного типа при их гидрообеспыливании [Текст] / О. В. Нестеренко, А. А. Гурин, В. Н. Назаренко // Качество минерального сырья. - 2005. - С. 139-145.
18. Нестеренко, О. В. Механизм смачивания и оптимальный расход бишофита при обеспыливании щебеночных автодорог в условиях изменения суточных параметров воздуха [Текст] / О. В. Нестеренко // Вюник КТУ. - 2006. - С. 194-197.
19. Пат. № 59943А UA. Споаб попередження пилення прикар'ерних та внутршньо кар'ерних доргг з нежорстким пок-риттям. МПК: B65G 69/16, E21F 5/06 [Текст] / Брехунов О. В., Штрок Д. М., Мельник Ю. I., Некрасов В. Г., Кжовка О. В., Не-мировський Г. I. та ш. - № 2002129881; заявл. 10.12.2002; опубл. 15.09.2003, Бюл. № 9.
Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук, професор Маланчук З. Р.
Дата надходження рукопису 19.09.2017
Комиссаренко Татьяна Анатольевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра рудничной аэрологии и охраны труда, Криворожский национальный университет, ул. Виталия Матусевича, 11, г. Кривой Рог, Украина, 50027
E-mail: tetiana.komisarenko63@gmail.com
Домничев Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент , кафедра рудничной аэрологии и охраны труда, Криворожский национальный университет, ул. Виталия Матусевича, 11, г. Кривой Рог, Украина, 50027 E-mail: domnichew@gmail.com
Нестеренко Оксана Владимировна, кандидат технических наук, доцент, кафедра рудничной аэрологии и охраны труда, Криворожский национальный университет, ул. Виталия Матусевича, 11, г. Кривой Рог, Украина, 50027 E-mail: nesterenko_ktu@mail.ru
