CC BY
16
УДК 625.76
КИРЯКОВ ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
НЮДЬ АРТУР СЕРГЕЕВИЧ, соискатель, начальник отдела
эксплуатации дорог,
Государственное предприятие Ханты-Мансийского автономного округа - Югры «Северавтодор», 628422, г. Сургут, ул. Промышленная, 5
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО РЕЗИСТИВНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НАГРЕВА МОСТОВОГО ПОКРЫТИЯ
Представлены результаты предварительных экспериментальных исследований использования нанокомпозиционного тепловыделяющего покрытия, нанесенного на дорожную геосетку в качестве нагреваемого элемента. Дана характеристика используемых материалов, приведена методика подготовки образцов и проведения лабораторных испытаний для получения необходимых электротехнических и теплофизических характеристик. В процессе лабораторных исследований подтверждена достаточная тепловыделяющая способность покрытия, получены зависимости температуры нагрева композиционного резистивного материала от его толщины, произведены измерения электротехнических и теплофизических показателей с целью установления зависимостей между ними. Обоснованы предпосылки для разработки системы нагрева мостового покрытия при тепловом способе борьбы с зимней скользкостью.
Ключевые слова: мостовые сооружения; зимняя скользкость; тепловой способ; обогрев покрытия; геосетка; напряжение; термограмма; электротехнические и теплофизические характеристики.
EVGENIII. KIRYAKOV, PhD, A/Professor, [email protected]
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia ARTUR S. NYUD', Head of Department, [email protected]
State Enterprise of Khanty-Mansi Autonomous Area - Yugra "Severavtodor", 5, Promyshlennaya Str., 628422, Surgut, Russia
POTENTIAL APPLICATION OF COMPOSITE RESISTIVE MATERIAL FOR FLOOR HEATING BRIDGES
The paper presents the results of preliminary research carried out into the application of nanocomposite heat generating coating used for a road geogrid in the capacity of a heating element. Described are the materials used, methodology of sample preparation, and laboratory tests which include electrotechnical and thermal and physical properties characterization. The experiment results prove the sufficient heat generation capacity of the coating; demonstrate the
© Киряков Е.И., Нюдь А.С., 2014
dependencies between the heat temperature and thickness of composite material. Electrotechnical and thermal and physical properties are estimated to demonstrate the dependence between them. Prerequisites for a design of floor heating system are substantiated in this paper for bridges with ice-covering.
Keywords: bridgework; ice-covering; floor heating system; geogrid; stress; thermogram; electrotechnical and thermal and physical properties.
В ранее опубликованных статьях [1, 2] авторами были рассмотрены существующие (традиционные) технологии (методы) борьбы с наиболее опасным (для безопасности дорожного движения) погодным явлением, таким как «черный лед»1, образующийся на покрытиях автодорог, и особенно мостовых сооружений, в весенне-осенний и зимний периоды года. Также были выявлены сильные и слабые стороны каждой технологии (способа). В результате проведенного анализа было установлено, что наиболее перспективной технологией предотвращения и ликвидации гололедных явлений на усовершенствованных покрытиях мостовых сооружений, на наш взгляд, является тепловой способ с использованием нанокомпозиционного тепловыделяющего покрытия, разработанного учеными Томского государственного архитектурно-строительного университета [3].
Нанокомпозиционный, токопроводящий, тепловыделяющий материал представляет собой смесь токопроводящего технического углерода марки К-163 (18-22 % по массе) с полиуретановым лаком (82-78 % по массе) [4]. С целью установления зависимости температуры нагрева тепловыделяющего слоя от его толщины были подготовлены три образца плоской геосетки и нанесено покрытие разной толщины. Взятая в качестве образцов геосетка используется для армирования асфальтобетонных слоев дорожной одежды2. Кроме того, в результате планируемого эксперимента было важно установить: происходит ли нагрев нанокомпозиционного материала по всей площади геосетки, скорость нагрева и максимальную температуру на поверхности в зависимости от толщины слоя наноматериала и схемы подключения, а также величину потребляемой мощности на разогрев покрытия. В случае получения положительных результатов эксперимента планируется провести детальную разработку системы обогрева покрытия с помощью композиционного рези-стивного материала, нанесенного на георешетку, уложенную между верхним и нижним слоями усовершенствованного покрытия мостового сооружения либо при строительстве, либо при ремонте поверх старого слоя покрытия.
1 ОДМ 218.2.2003-2009. Методические рекомендации по специализированному прогнозу состояния дорожного покрытия : рекомендованы к применению распоряжением Росавтодора от 25.11.2009 г. № 493-р. 23 л.
ОДМ 218.8.001-2009. Методические рекомендации по специализированному гидрометеорологическому обеспечению дорожного хозяйства : утв. распоряжением Федерального дорожного агентства от 26.11.2009 № 499-р. 33 с.
2 ОДМ 218.5.001-2009. Методические рекомендации по применению геосеток и плоских георешеток для армирования асфальтовых слоев усовершенствованных видов покрытий при капитальном ремонте и ремонте автомобильных дорог : утв. распоряжением Росавтодора от 26.11.2009 № 502-р. 69 с.
В качестве геосетки в эксперименте использовалась геосетка дорожная ССНП-ХАЙВЕЙ производства ГК «Рускомпозит» (г. Москва)3. Из указанного материала были подготовлены три образца размером 130*125 мм, на каждый из которых с помощью токопроводящего клея были закреплены медные контакты (рис. 1). При этом для получения зависимости теплофизических показателей от расстояния между точками подключения электроэнергии три контакта (электрода) были размещены на разном расстоянии друг от друга.
Нанесение тепловыделяющего материала производилось ручным способом с использованием аппликатора. Средняя толщина нанесенного слоя на образце № 1 составила 800 мк, на образце № 2 - 400 мк, на образце № 3 -300 мк. После нанесения в течение суток происходило высыхание и формирование слоя наноматериала в естественных условиях, затем был произведен отжиг образцов в сушильной камере в течение двух часов при температуре 120 °С [5]. В результате были получены три образца геосетки с нанокомпозиционным тепловыделяющим покрытием, готовых для проведения электротехнических и теплофизических испытаний. При этом на образце № 2 в ходе отжига проявились трещины тепловыделяющего слоя в результате несовершенства процесса нанесения материала на геосетку. Поэтому образец № 2 был исключен из электротехнических и теплофизических испытаний.
Рис. 1. Схема размещения контактов
Нагрев покрытия производился от начальной темературы Тн = 21,4 °С и при напряжениях 21, 24, 27 и 30 В. Температуру нагрева поверхности образца определяли методом термографирования с использованием тепловизора Thermo View Ti30 (фирма Raytek, США).
На рис. 2 приведены схема подключения (постоянное напряжение 24 В, сила тока 200 мА) и термограмма образца №1.
3 СТО 00205009-001-2005 (взамен ТУ 2296-005-00205009-2004, ТУ 2296-009-00205009-2004) Геосетки и геокомпозиты из стекловолокна. Технические условия.
Рис. 2. Схема подключения (а) и термограмма образца № 1 (б)
Из представленной термограммы видно, что разогрев тепловыделяющей поверхности происходит по всей площади образца. При этом имеющаяся неравномерность разогрева обусловлена неравномерностью (отклонения порядка 100 мк) толщины слоя нанесенного тепловыделяющего материала. Отклонения в толщине слоя обусловлены ручным нанесением материала на образец, при котором невозможно обеспечить необходимую точность толщины слоя. В дальнейшем технология нанесения тепловыделяющего материала на поверхность геосетки требует доработки и усовершенствования, например нанесение его методом напыления.
Измерения температуры поверхности тепловыделяющего слоя проводились после достижения ею максимального стабильного значения (Тк) - спустя 11 мин после подключения к источнику постоянного напряжения [6]. Результаты измерений показали, что нагрев возможен в широком диапазоне, а средняя температура на поверхности композиционного слоя меняется в зависимости от подаваемого напряжения и его толщины (рис. 3).
С
т
й
р
к о п
а р
& р ер
р С
Напряжение, В
Рис. 3. Зависимость средней температуры тепловыделяющего слоя от его толщины и подаваемого напряжения
Дальнейшие эксперименты показали, что разогрев тепловыделяющего покрытия происходит только на площади между контактами (электродами), которые подключены к источнику напряжения. Посредством термографа была выявлена зависимость средней температуры тепловыделяющего покрытия от расстояния между электродами, подключенными к источнику напряжения. Для данного эксперимента был выбран образец № 3, имеющий меньшую толщину слоя и, следовательно, меньшую максимальную температуру тепловыделяющего покрытия, при которой не происходят его необратимые разрушения.
Для этого при напряжении 24 В образец № 3 последовательно подключали сначала между крайними электродами (расстояние между ними 12,2 см), затем между крайним левым и средним (расстояние 7,2 см) и между крайним правым и средним (расстояние 5,0 см). Результаты термографирования показали, что средняя температура тепловыделяющего слоя увеличивается при сокращении расстояния между электродами, подключенными к источнику напряжения (рис. 4). Соответственно, среднюю температуру покрытия можно регулировать не только за счет толщины тепловыделяющего слоя или подаваемого напряжения, но и путем изменения расстояния между точками подключения электроэнергии. В ходе последующих экспериментов возможно определение оптимального расстояния между электродами.
Рис. 4. Зависимость средней температуры тепловыделяющего слоя образца № 3 от расстояния между контактами (электродами), подключенными к источнику питания
В ходе проводимого эксперимента важно было установить величину потребляемой мощности и величину температурного градиента (А), показывающего, какую величину мощности необходимо затратить на нагрев поверхности образцов на один градус.
По формуле расчета мощности [10] Р = и • I, где и - напряжение в вольтах, а I - сила тока в амперах, были получены ее значения в ваттах, приведенные в таблице, и построены графики зависимости температуры нагрева
тепловыделяющего покрытия от потребляемой мощности для образцов № 1, 3 (рис. 5).
Полученные значения температурного градиента (таблица) подтверждают закономерность данного процесса и позволяют рассчитать потребную мощность на нагрев тепловыделяющего слоя в зависимости от его толщины и заданной разницы температур.
Для примера произведём расчет потребной мощности для образца № 1. Площадь геосетки экспериментального образца № 1 - 0,01625 м2. Потребляемая мощность для нагрева тепловыделяющего слоя на 10 °С составит 2,29 Вт. Соответственно, 1 м2 геосетки с нанесенным тепловыделяющим слоем будет потреблять 141 Вт. Для образца № 3 расчет аналогичен. Потребляемая мощность составит 135 Вт.
Таблица 1
Значения потребляемой мощности и величины температурного градиента при нагреве поверхности геосетки от Тн до Тк
Образец № 1 Образец № 3
и, В I, А Р, Вт Т - Т ± к ± н град А, Вт/°С и, В I, А Р, Вт Т - Т ± к ± н град А, Вт/°С
21 0,18 3,78 19,00 0,199 21 0,1 2,10 11,20 0,188
24 0,20 4,80 21,20 0,226 24 0,11 2,64 12,40 0,213
27 0,23 6,21 26,40 0,235 27 0,12 3,24 14,40 0,225
30 0,24 7,20 28,30 0,254 30 0,125 3,75 15,00 0,250
Среднее значение 0,229 Среднее значение 0,219
н
го
■:-:-:-:
-=---
Температура площади покрытия, °С
образец № 1 образец № 3
Рис. 5. Графики зависимости средней температуры площади покрытия от потребляемой мощности
Проведенный эксперимент позволил подтвердить рабочую гипотезу о том, что для борьбы с зимней скользкостью на автодорожных мостах при использовании теплового способа возможно применение композиционного резистивного материала, нанесенного на геосетку. На температуру и скорость нагрева композиционного слоя оказывают значительное влияние расстояние
между электродами, подаваемое напряжение и толщина нанесенного слоя. Результаты эксперимента создали предпосылки для разработки системы нагрева мостового покрытия при тепловом способе борьбы с зимней скользкостью и позволили наметить план дальнейших исследований, направленных на решение теплотехнической задачи.
Библиографический список
1. Нюдь, А. С. Существующие проблемы выявления и ликвидации зимней скользкости на автомобильных дорогах и мостовых сооружениях / А.С. Нюдь, Е.И. Киряков // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 2. -С. 354-361.
2. Киряков, Е.И. Разработка системы ликвидации зимней скользкости на мостовых транспортных сооружениях тепловым способом / Е.И. Киряков, А.С. Нюдь // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 4. -С. 263-272.
3. Нанокомпозиционное тепловыделяющее покрытие для термоактивной опалубки / Т.Д. Малиновская, А.В. Рубанов, В.М. Калыгина, С.В. Мелентьев // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2010. - № 1. - С. 150-157.
4. Использование нанодисперсного углерода в композиционных толстопленочных нагревательных элементах / Т.Д. Малиновская, Г.Г. Волокитин, С.В. Мелентьев, А.В. Бадени-ков // Сборник трудов IV Всероссийской научной конференции с международным участием «Наноматериалы и нанотехнологии». - Улан-Удэ, 2012. - С. 19-23.
5. Малиновская, Т.Д. Исследование концентрационных условий формирования электропроводящих покрытий на основе полиуретана / Т.Д. Малиновская, С.В. Мелентьев // Материалы общероссийской с международным участием научной конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии». - Томск, 2012. - С. 69-71.
6. Иванов, И.И. Электротехника и основы электроники / И.И. Иванов, Г.И. Соловьев, В.Я. Фролов. - 7-е изд., перераб. и доп. - СПб. : Изд-во «Лань», 2012. - 736 с.
References
1. Nyud', A.S., Kiryakov, E.I. Sushchestvuyushchie problemy vyyavleniya i likvidatsii zimnei skol'zkosti na avtomobil'nykh dorogakh i mostovykh sooruzheniyakh [Problems of elimination of ice-covering on automobile and bridge roads]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2013. No. 2. Pp. 354-361. (rus)
2. Kiryakov E.I., Nyud' A.S. Razrabotka sistemy likvidatsii zimnei skol'zkosti na mostovykh transportnykh sooruzheniyakh teplovym sposobom [Elimination of slide surface conditions using bridge heating method]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2013. No. 4. Pp. 263-272. (rus)
3. Malinovskaya, T.D., Rubanov, A.V., Kalygina, V.M., Melent'ev, S.V. Nanokompozitsionnoe teplovydelyayushchee pokrytie dlya termoaktivnoi opalubki [Nanocomposite heat generating coating for shuttering with heating elements]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2010 . No. 1. Pp. 150-157. (rus)
4. T.D. Malinovskaya, G.G. Volokitin, S.V. Melent'ev, A.V. Badenikov Ispol'zovanie nanodis-persnogo ugleroda v kompozitsionnykh tolstoplenochnykh nagrevatel'nykh elementakh [The use of nanodisperse carbon in thick-film heating elements]. Proc. 4th All-Rus. Sci. Conf. Na-nomaterials andNanotechnologies'. Ulan-Ude, 2012. Pp. 19-23. (rus)
5. Malinovskaya T.D., Melent'ev S.V. Issledovanie kontsentratsionnykh uslovii formirovaniya el-ektroprovodyashchikh pokrytii na osnove poliuretana [A study of concentration conditions of polyurethane-based electrocoating formation]. Proc. 4th All-Rus. Sci. Conf. 'Multifunctional Chemical Materials and Technologies' . Tomsk, 2012. Pp. 69-71. (rus)
6. Ivanov I.I., Solov'ev G.I., Frolov V.Ya. Elektrotekhnika i osnovy elektroniki [Electrical engineering and basic electronics]. 7th edition. St-Petersburg : Lan' Publ., 2012. 736 p. (rus)
