Процессы, протекающие на поверхности бетонных покрытий при их химической защите от зимней скользкости Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СТРОИТЕЛЬСТВО СIVIL AND INDUSTRIAL ENGINEERING

DOI: 10.21122/2227-1031 -2016-15-4-265-270 УДК 625.768.6

Процессы, протекающие на поверхности бетонных покрытий при их химической защите от зимней скользкости

Канд. техн. наук М. К. Пшембаев1), докт. техн. наук, проф. Я. Н. Ковалев1), докт. хим. наук, проф. В. Н. Яглов1)

^Белорусский национальный технический университет (Минск, Республика Беларусь)

© Белорусский национальный технический университет, 2016 Ве1агш1ап National Technical University, 2016

Реферат. Бетонные покрытия автомобильных дорог наряду с эксплуатационными нагрузками, обусловленными движением транспортных средств, подвергаются погодно-климатическим воздействиям. К ним относятся: изменения температуры и влажности воздуха, солнечная радиация, приземная скорость ветра, участвующая в формировании активного тепломассообмена в поверхностном слое бетонного покрытия. Одними из самых сложных и ответственных эксплуатационных периодов работы дорог являются так называемые переходные (от лета к осени и от зимы к весне). Они сопровождаются интенсивным выпадением осадков в виде дождя, снега и возможным образованием гололедных отложений на поверхности цементобетонных покрытий. Эти воздействия существенно ухудшают фрикционные свойства поверхностей дорожного покрытия (коэффициент сцепления ф снижается до 0,4 и менее), что может явиться предпосылкой к созданию различных аварийных ситуаций из-за резкого увеличения тормозного пути. Например, при сухом бетонном покрытии ф = 0,80-0,85, а при гололеде ф = 0,08-0,15, что соответственно увеличивает тормозной путь от 7,5 до 20,0 м и более. В условиях зимней эксплуатации автомобильных дорог с бетонным покрытием на их поверхности возможно образование слоя льда. Для его удаления применяют различные методы, в том числе химические антигололедные реагенты, в частности хлорид натрия NaCl. Этот реагент понижает температуру замерзания образующегося рассола и вызывает таяние льда при отрицательной температуре. Процессы растворения NaCl и плавление льда носят эндотермический характер, т. е. сопровождаются поглощением теплоты, вследствие чего в поверхностном слое бетонного покрытия, находящегося под тающим льдом, резко снижается температура: наблюдается явление термического удара.

Ключевые слова: автомобильная дорога, зимнее содержание, антигололедные реагенты, термический удар

Для цитирования: Пшембаев, М. К. Процессы, протекающие на поверхности бетонных покрытий при их химической защите от зимней скользкости / М. К. Пшембаев, Я. Н. Ковалев, В. Н. Яглов // Наука и техника. 2016. Т. 15, № 4. С. 265-270

Processes Proceeding on Concrete Coating Surfaces in Case of their Chemical Protection against Winter Slipperiness

M. K. Pshembaev1), Ya. N. Kovalev1), V. N. Yaglov1

^Belarusian National Technical University (Minsk, Republic of Belarus)

Abstract. Concrete coatings of road traffic highways along with operational loadings caused by flow of traffic are subjected to weather and climate impacts. These are the following impacts: changes in temperature and air humidity, solar radiation,

Адрес для переписки

Ковалев Ярослав Никитич

Белорусский национальный технический университет

просп. Независимости, 150,

220013, г. Минск, Республика Беларусь

Тел.: +375 17 265-97-28

[email protected]

Address for correspondence

Kovalev Yaroslav N.

Belarusian National Technical University

150 Nezavisimosty Ave.,

220013, Minsk, Republic of Belarus

Tel.: +375 17 265-97-28

[email protected]

Наука

иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)

surface wind speed which is participating in formation of active heat-and-mass transfer in a surface layer of the concrete coating. One of the most complicated and important periods in the road traffic highway operation is so called transitional nature period (from Summer to Autumn and from Winter to Spring). These periods are accompanied by intensive rain and snow fall and possible formation of ice loading on the surface of cement and concrete coatings. These impacts significantly deteriorate friction properties of road pavement (friction factor 9 is decreased up to 0.4 and less) that can be a prerequisite to creation of various accident situations due to sharp increase in braking distance. For example, while having dry pavement the friction factor 9 is equal to 0.80-0.85, and during icy condition of the road the factor 9 constitutes 0.08-0.15 that consequently entails an increase in braking distance from 7.5 up to 20.0 m and more. It is quite possible that ice layer appears on the surface of concrete coatings when road traffic highways are used in winter season. Various methods are applicable to remove ice from the surface they can include also ice-melting chemicals and sodium chloride NaCl in particular. The chemical decreases freezing temperature of the formed brine and causes ice melting at negative temperature. Processes of NaCl dissolution and ice melting have an endothermic character, in other words these processes are accompanied by heat ingress and due to it temperature is sharply decreasing in the surface layer of the concrete coating which is under the melting ice and in this case phenomenon of thermal shock is observed.

Keywords: road traffic highway, winter maintenance, ice-melting chemicals, thermal shock

For citation: Pshembaev M. K., Kovalev Ya. N., Yaglov V. N. (2016) Processes Proceeding on Concrete Coating Surfaces in Case of their Chemical Protection against Winter Slipperiness. Science & Technique. 15 (4), 265-270 (in Russian)

Введение

Основная задача зимнего содержания автомобильных дорог общего пользования - проведение комплекса мероприятий по обеспечению безопасного и бесперебойного движения на автомобильной дороге в зимний период, в том числе защита автомобильных дорог от снежных заносов и очистка их от снега, устранение зимней скользкости. Решение этих задач достигается путем проведения различных видов работ по зимнему содержанию дорог, в том числе использованием антигололедных реагентов (АГР) [1-7].

Экспериментальные исследования

В [8] приведены результаты исследований явления термического удара, выполненных в МИСИ на установке Всесоюзного НИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Испытаниям подвергали образцы песчаного бетона с В/Ц = 0,44. Использовали портландцемент марки М400 и кварцевый песок с модулем крупности Мк = 2,59. Изготавливали образцы бетона размерами 7,07x7,07x7,07 см, которые твердели на начальном этапе в условиях пропаривания с последующим твердением при нормальных условиях в течение 28 сут. Циклы замораживания образцов осуществляли в морозильной камере при воздействии жидкого азота. Для образования слоя льда на поверхности образцов по периметру устанавливали водонепроницаемый

борт, а поверхность образцов закрывали листом полиэтилена, исключающим непосредственный контакт бетона с №С1.

Для измерения температуры в каждый образец монтировались четыре хромель-копеле-вые термопары: на поверхности и на глубинах 0,5; 1,5 и 3,5 см. Термопары устанавливались параллельно горизонтальной поверхности образца и доходили до его середины. Величины измерения температур во времени фиксировались потенциометром.

Зависимости изменения температуры в поверхностном слое бетонного покрытия при нанесении соли на лед, покрывающий эту поверхность, представлены на рис. 1.

Время, мин

Рис. 1. Изменения температуры бетонного покрытия

при термическом ударе [8]: 1 - на поверхности; 2, 3, 4 - на глубине 0,5; 1,5 и 3,5 см соответственно. Толщина слоя льда 1-2 см при расходе соли 10-20 г

Fig. 1. Changes in temperature of concrete coating

during thermal shock [8]: 1 - on surface; 2, 3, 4 - at depth 0.5; 1.5 and 3.5 cm, respectively. Ice layer thickness 1-2 cm with salt consumption of 10-20 g

Наука

итехника. Т. 15, № 4 (2016)

Анализ кривых на рис. 1 показал, что скорость снижения температуры на поверхности бетона после нанесения АГР составляет 9,5 град./мин в течение первых двух минут и 1,0-4,0 град./мин - в глубине образца бетона (табл. 1).

Таблица 1

Градиенты температур бетона после нанесения антигололедного реагента [8]

Concrete temperature gradients after using ice-melting chemical [IMC] [8]

Глубина установки термопары, см Диапазон изменения температуры бетона, °С Градиент температуры в слое, °С/мин

На поверхности бетона От -4,0 до -13,5 9,5

-0,5 От -9,0 до -13,0 4,0

-1,5 От -10,0 до -14,0 4,0

-3,5 От -13,0 до -14,0 1,0

Анализ методики проведения экспериментов, изложенной в [3], показал, что при применении АГР в виде NaCl установлен факт появления термического удара в поверхностном слое бетонных покрытий. Однако при этом можно отметить следующие особенности, которые не позволяют полученные экспериментальные результаты использовать применительно к защите дорожных цементобетонных покрытий от солевой коррозии во время зимнего содержания дорог. В этом аспекте можно сформулировать следующие замечания:

• при проведении эксперимента использовался не дорожный бетон, а песчаные образцы с цементом М400 неизвестного минералогического состава;

• образцы бетона твердели в условиях про-паривания, что не соответствует фактическим условиям твердения бетона при устройстве дорожных покрытий.

Можно сделать следующий общий вывод по результатам [8]:

• учитывая отмеченные принципиальные замечания, следует выполнить исследования по изучению влияния термического удара на поверхностное деформирование бетонных покрытий. В частности, использованная в [3] методика моделирования термического удара весьма условна: поверхность бетонных покрытий «удалена» от непосредственного воздействия NaCl

Наука

иТ ехника. Т. 15, № 4 (2016)

искусственной преградой (полиэтиленовой пленкой), что не соответствует фактическому контакту №С1 с бетонным покрытием;

• для теоретического обоснования эффективности применения химических АГР необходимо провести анализ процессов, протекающих на поверхности бетонных покрытий при использовании химических средств защиты от зимней скользкости.

Механизм физико-химических процессов,

сопровождающих

явление термического удара

Как уже отмечалось, наиболее радикальным способом борьбы с гололедом является применение химических АГР, которые понижают температуру плавления льда. При снежной погоде с оттепелями реагенты чаще используют в твердом виде, а в сухую погоду и при гололеде - в жидком.

При попадании твердых кристаллических АГР на поверхность льда или снега их кристаллы начинают активно поглощать влагу из окружающей среды. АГР №С1 гигроскопичен. На поверхности кристалла №С1 образуется тонкая пленка воды, в которой начинает растворяться снег или лед, образуя раствор №С1. При растворении электролита давление пара воды над таким раствором уменьшается, что вызывает понижение температуры замерзания раствора (А^ам) по сравнению с чистой водой (закон Рауля) [9]

ДС

, тв -1000

= ik—-,

M в mH2O

(1)

где 1 - изотонический коэффициент, показывающий превышение числа частиц в растворе электролита (ионов и их ассоциатов) по сравнению с числом молекул неэлектролита такой же концентрации. У разбавленных растворов электролитов значение величины 1 близко к числу ионов, на которые диссоциирует одна молекула электролита (для №С1 = №+ + С1-1 ~ 2); к - криоскопическая константа воды (1,86 кг-К/моль); тв - масса АГР, г; Мв - молекулярная масса АГР, г/моль; т^0 - масса воды, г.

Поскольку А^зам. = ¿зам .Н2О ¿зам.р-ра и ¿зам.ЩО

= 0 °С, то

^зам.р-ра ^зам.ЩО Д^зам Д^зам. (2)

То есть любой раствор электролита замерзает при температуре ниже 0 оС. Процесс растворения КаС1 в воде снижает температуру замерзания раствора и является эндотермическим процессом. Суммарный тепловой эффект растворения соли КаС1 складывается из трех видов:

• теплового эффекта (эндоэффект) разрушения кристаллической решетки №С1 (ДразрН° (289 К));

• теплового эффекта гидратации образовавшихся ионов №+ и С1- (ДгидратН° (289 К));

• теплового эффекта диффузии гидратиро-ванных ионов в растворе (ДдифН° (289 К)).

Таким образом, суммарный тепловой эффект растворения соли выражается равенством

ДраствН° (289 К) = ДразрН° (289 К) + + ДгидратН° (289 К) + ДдИфН° (289 К). (3)

Величина ДдифН° (289 К) по сравнению с первыми двумя эффектами мала, и ею можно пренебречь. Однако для разных солей остальные эффекты имеют некоторые особенности. Так, при растворении СаС12 величина ДгидратН° (289 К) >

> ДразрН° (289 К) и тепловой эффект растворения будет экзотермическим (ДраствН° (289 К) = = -75,6 кДж/моль). Для №С1 ДразрН° (289 К) >

> ДгидрН° (289 К) и суммарный эффект будет эндотермическим, т. е. ДраствН° (289 К) = = +5,1 кДж/моль. При этом следует учитывать, что плавление льда также сопровождается поглощением энергии (ДплН° (289 К) = = +5,97 кДж/моль).

Тепловая энергия, необходимая для растворения химических реагентов (например, №С1) и плавления льда, берется из окружающей среды, в том числе из поверхностного слоя бетонного покрытия автомобильной дороги, что и вызывает снижение его температуры (в некоторых случаях импульсно-резкое, в виде термического удара).

Скорость таяния льда и снега на дорожном покрытии зависит от скорости растворения солей (АГР) и эвтектической температуры образования соляного раствора. Эвтектические температуры для растворов некоторых солей приведены в табл. 2.

Температура замерзания раствора зависит от его концентрации. Понижение температуры замерзания раствора наблюдается до достижения раствором точки эвтектики. При понижении температуры первым кристаллизуется чистый растворитель (Н20), т. е. выделяются кристаллы льда и, следовательно, концентрация соли в растворе повышается, а температура его замерзания понижается (1). Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута эвтектическая температура (табл. 2). В момент достижения температуры эвтектики совместно с кристаллами льда начинают выделяться кристаллы соли, т. е. концентрация раствора падает, а его температура замерзания повышается. Таким образом, получавшийся в этом процессе раствор №С1 может снова замерзнуть, вызывая дополнительную скользкость покрытия. Поэтому на практике №С1 можно использовать не до температуры эвтектики, а при температуре воздуха не ниже ~12 °С.

Молекула СаС1 2 при растворении присоединяет шесть молекул воды, образуя кристаллогидрат СаС12 • 6Н20. Этот процесс сопровождается выделением 73,7 кДж теплоты, но при растворении одного моля СаС12 • 6Н20 поглощается 18 кДж теплоты. Поэтому использование СаС12 для борьбы с зимней скользкостью ограничивается не эвтектической температурой (-50,1) °С, а рабочей, которая составляет (-34,0) °С.

Как отмечалось, процесс растворения кристаллов №С1 протекает медленно, с поглощением теплоты (ДраствН° (289 К) = +5,1 кДж/моль), а кристаллов СаС12 - быстро, с выделением теплоты (ДраствН° (289 К) = -75,6 кДж/моль). Это происходит потому, что кристаллы гигроскопической соли, помещенные на сухой поверхности покрытия дороги, накапливают влагу на своей поверхности из окружающей атмосферы до тех пор, пока на поверхности кристалла не образуется тонкая пленка соляного раствора. Образовавшаяся пленка раствора активирует растворение оставшихся («нетронутых») кристаллов соли. Кристаллы №С1 начинают адсорбировать влагу при относительной влажности воздуха 76 % и более, а кристаллы СаС12 адсорбируют влагу уже при влажности воздуха 42 %.

Наука

итехника. Т. 15, № 4 (2016)

Таблица 2

Эвтектические температуры растворов солей Eutectic temperature of salt solutions

Вид соли, ее концентрация в растворе, % NaCl, 23,3 СаС12, 29,6 MgCl2, 22,1 KCl, 19,7 СН3СООН, 50,0

Т oC 1 эвт, ^ -21,2 -50,1 -35,5 -10,7 -60

Под действием собственной массы и при относительно малой скорости растворения гранулы №С1 проникают через слой льда на поверхность дорожного покрытия (рис. 2), что ослабляет адгезионную связь ^ад между поверхностью бетонного покрытия и слоем льда.

1

2

Рис. 2. Схема взаимодействия антигололедного реагента

с поверхностью бетонного покрытия: F3fl - сила адгезии на межфазной границе систем «лед -бетон»; 1 - кристаллическая частица NaCl;

2 - поровый канал в слое льда после диффузного проникания в него кристалла NaCl

Fig. 2. Scheme of ice-melting chemical [IMC] interaction with the surface of concrete coating: - adhesion force at interphase boundary of the "ice - concrete" system; 1 - crystalline particle NaCl; 2 - porous channel in ice layer after diffusion penetration of crystal NaCl in it

Раствор NaCl, образующийся в слое льда, растекается по поровым каналам по поверхности бетонного покрытия и отслаивает от него ледяной слой. В некоторых случаях, когда необходимо быстро ликвидировать зимнюю скользкость при температуре воздуха ниже минус 15 °С, рекомендуется применять соль СаС12. Однако этот АГР является дорогостоящим и дефицитным продуктом и его применение целесообразно лишь в исключительных ситуациях.

В этой связи представляет интерес анализ процесса растворения СаС12. Он происходит

Наука

ит ехника. Т. 15, № 4 (2016)

с гораздо большей скоростью по сравнению с процессом растворения №С1. Причина этого описана выше. Гранулы СаС12 адсорбируют воду до тех пор, пока не растворятся полностью. При этом образующийся раствор СаС12 продолжит адсорбировать влагу, пока не будет достигнуто равновесие между упругостью воды над раствором и упругостью паров воды в воздухе. Такое явление во многом объясняется активностью воды а„

100

(4)

где рк - давление паров воды над объектом; р0 - то же над чистой водой при той же температуре; р0в - относительная влажность воздуха в состоянии равновесия, при котором материал не впитывает влагу и не теряет ее в атмосферу.

Отношение (4) входит в основную термодинамическую формулу определения энергии связи влаги (Н2О) с материалом [10]

АF = ЯТ 1п р = - ЯТ 1п , (5)

г0

где АF - уменьшение свободной энергии (при постоянной температуре); Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.

В случае если влажность воздуха будет повышаться, то раствор СаС12 адсорбирует влаги больше. Если же влажность воздуха понизится, то часть воды из раствора СаС12 перейдет в пар. Поэтому важно знать фактическую влажность воздуха при использовании СаС12.

ВЫВОД

Из приведенных данных следует, что в случае использования некоторых антигололедных реагентов в поверхностном слое дороги на глубинах 0,5-3,5 см возникают значительные температурные градиенты (термический удар).

aw =

rU

0

При этом возможно замерзание воды в мелких порах поверхностного слоя бетона, приводящее к существенному повышению его льдистости. В результате, как следствие, образуются температурные напряжения, приводящие к деформациям структуры поверхностного слоя бетона и его ускоренному разрушению (шелушению). Развитию поверхностных разрушений бетонных покрытий способствует также истирающее и динамическое воздействие колесных нагрузок тяжелого грузового транспорта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шейкин, А. Е. Структура и свойства цементных бетонов / А. Е. Шейкин, Ю. В. Чеховский, М. И. Бруссер. М.: Госстройиздат, 1979. 344 с.

2. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С. Н. Алексеев [и др.]; под. ред. Ф. М. Иванова. М.: Стройиздат, 1990. 320 с.

3. Иванов, Ф. М. Защита железобетонных транспортных сооружений от коррозии / Ф. М. Иванов. М.: Транспорт, 1968. 175 с.

4. Шейкин, А. Е. Цементные бетоны высокой морозостойкости / А. Е. Шейкин, Л. И. Добшиц. Л.: Стройиздат. Ленинградское отд., 1989. 128 с.

5. Руководство по применению бетонов с противомороз-ными добавками. М.: Стройиздат, 1978. 80 с.

6. Райхель, В. Бетон / В. Райхель, Д. Конрад; пер. с нем. О. П. Мчедлова-Петросяна. М.: Стройиздат, 1979. Ч. 1: Свойства. Проектирование. Испытание. 109 с.

7. Wurth, E. Beanspruchung des Betons Bei Tausalzanwendung / E. Wurth // Betonwerk + Fertigteil Technik. 1977. Ыо 11. P. 542-548.

8. Баландина, И. В. О влиянии термического удара на разрушение дорожного бетона / И. В. Баландина // Измерения физико-механических свойств и характеристик структур строительных материалов: сб. науч. тр. Всесоюз. НИИ физ.-техн. и радиотехн. измерений. М., 1981. С. 78-80.

9. Новиков, Г. И. Основы общей химии / Г. И. Новиков. М.: Высш. шк., 1988. 431 с.

10. Николаев, Л. А. Физическая химия / Л. А. Николаев, В. А. Тулупов. М.: Высш. шк., 1966. 461 с.

Поступила 16.02.2016 Подписана в печать 18.04.2016 Опубликована онлайн 28.07.2016

REFERENCES

1. Shejkin A. E., Chehovskij Yu. V., Brusser M. I. (1979) Structure and Properties of Cement Concrete. Moscow, Gosstroyizdat. 344 (in Russian).

2. Alekseev S. N., Ivanov F. M., Modry S., Shissl' P. (1990) Life-Span of Reinforced Concrete in Corrosive Environment. Moscow, Stroyizdat. 320 (in Russian).

3. Ivanov F. M. (1968) Protection of Concrete Transport Works against Corrosion. Moscow, Transport. 175 (in Russian).

4. Sheykin A. E., Dobshits L. I. (1989) Cement Concrete of High Frost Resistance. Leningrad, Stroyizdat, Leningrad Branch. 128 (in Russian).

5. Guidance on Application of Concrete with Antifreeze Agents. Moscow, Stroyizdat, 1978. 80 (in Russian).

6. Reichel W., Conrad D. (1976) Beton. Band 1. Eigenschaften. Projektierung. Prufung. Berlin, VEB Verlag fur Bauwesen. 295 (Russ. ed.: Reichel W., Conrad D. (1979) Beton. Ch. 1.: Svoistva. Proektirovanie. Ispytanie. Moscow, Stroyizdat. 109).

7. Wurth E. (1977) Beanspruchung des Betons Bei Tausalzanwendung. Betonwerk + Fertigteil Technik, (11), 542-548 (in German).

8. Balandina I. V. (1981) About Influence of Thermal Shock on Road Concrete Deterioration. Izmereniia Fiziko-Mekhanicheskikh Svoistv i Kharakteristik Struktur Stroi-telnykh Materialov: Sb. Nauch. Tr. Vsesoiuz. NII Fiz.-Tekhn. i Radiotekhn. Izmerenii [Measurement of Physical and Mechanical Properties and Characteristics of Construction Material Structures: Collection of Scientific Papers of All-Union Scientific-Research Institute of Physical, Technical and Radio-Technical Measurements]. Moscow, 78-80 (in Russian).

9. Novikov G. I. (1988) Fundamentals of General Chemistry. Moscow, Vysshaya Shkola. 431 (in Russian).

10. Nikolayev L. A., Tulupov V. A. (1966) Physical Chemistry. Moscow, Vysshaya Shkola, 461 (in Russian).

Received: 16.02.2016 Accepted: 18.04.2014 Published online: 28.07.2016

Наука

итехника. Т. 15, № 4 (2016)