CC BY
31
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 625.76
КИРЯКОВ ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, cknr@sibmail. com
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
НЮДЬ АРТУР СЕРГЕЕВИЧ, соискатель,
oed@severavtodor. ru
Государственное предприятие Ханты-Мансийского автономного округа - Югры «Северавтодор», 628422, г. Сургут, ул. Промышленная, 5
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЛИКВИДАЦИИ ЗИМНЕЙ СКОЛЬЗКОСТИ НА МОСТОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ ТЕПЛОВЫМ СПОСОБОМ
В статье рассмотрены существующие методы и технологии теплового способа борьбы с зимней скользкостью, а также факторы, мешающие перейти к повсеместному их использованию. Определены направления на повышение экономической эффективности указанного способа, и на основе полученных решений разработана система обогрева покрытия с помощью композиционного резистивного материала, нанесенного на георешетку, являющегося нагревательным элементом.
Ключевые слова: мостовые сооружения; зимняя скользкость; тепловой способ; обогрев покрытия; тепловыделяющие покрытия; экономическая эффективность.
EVGENIII. KIRYAKOV, PhD, Associate Professor, cknr@sibmail. com
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia ARTUR S. NYUD', Degree-Seeking Student, oed@severavtodor. ru
State Enterprise of Khanty-Mansi Autonomous Area - Yugra "Severavtodor", 5, Promyshlennaya Str., 628422, Surgut, Russia
© Е.И. Киряков, А.С. Нюдь, 2013
ELIMINATION OF SLIDE SURFACE CONDITIONS USING BRIDGE HEATING METHOD
The existing methods and technologies of heating pavements to resist a road ice-covering are discussed in this paper as well as the causes that prevent these methods from a common use. Routes of increasing the suggested method efficiency have been elaborated resulting in the development of the heating system for pavements using a composite resistive material for covering a geoweb which is a heating element in itself.
Keywords: bridge constructions; winter slipperiness; thermal way; the heating of a covering heat allocating coverings; economic efficiency.
Вопросы предупреждения образования и ликвидации гололедных проявлений на покрытиях дорог и особенно мостовых сооружений, а также эффективные методы борьбы с ними являются актуальными на сегодняшний день и требуют своего решения. Существующие проблемы их выявления и ликвидации на покрытиях транспортных сооружений приведены авторами в ранее опубликованной статье [1], где была представлена подробная классификация и описание различных видов зимней скользкости, образующейся на поверхности проезжей части автомобильных дорог и мостовых сооружений в различные периоды года. Также были рассмотрены существующие технологии (методы) борьбы с наиболее опасным (для безопасности дорожного движения) погодным явлением, таким как «черный лед» [2, 3], выявлены их сильные и слабые стороны.
В результате анализа существующих методов и технологий было установлено, что наиболее перспективным из них для предотвращения образования гололедных явлений на усовершенствованных покрытиях мостовых сооружений является тепловой способ, заключающийся в кратковременном нагреве верхнего слоя дорожной одежды глубинными нагревательными элементами, монтируемыми между слоями покрытия и автоматически включающимися в период снегонакопления или льдообразования. До настоящего времени в качестве применяемых глубинных нагревательных элементов рассматривались теплофикационные системы трубопроводов или электронагревательных тепловых линий [4].
Мировая практика борьбы с гололедными явлениями на искусственных сооружениях тепловым способом имеет многолетнюю историю.
В 2002 г. в штате Виктория (Австралия) были построены два магистральных моста протяженностью 100 м с нагревательным кабелем Deviflex длиной 67 000 м и общей мощностью 700 кВт, уложенным в бетонную основу. Несмотря на то, что температура окружающего воздуха в штате Виктория редко опускается ниже 3-4 °С, наличие нагревательных кабелей в конструкции мостов оказалось чрезвычайно важным для обеспечения безопасности дорожного движения. Близость данных мостов к горному массиву в условиях высокой относительной влажности воздуха вызывает смещение холодных воздушных масс с заснеженных гор, приводящих к образованию «черного льда» на поверхности проезжей части моста. Использование нагревательных кабелей в конструкции мостового сооружения позволило исключить опасное льдообразование [5]. Существенными недостатками данного способа являют-
ся высокая стоимость нагревательного кабеля (порядка 110-120 руб (с НДС)) за 1 п. м по ценам IV квартала 2012 г.) и значительные затраты на электроэнергию.
Специалисты из японского исследовательского центра технологий снегоуборки (Snow Management and Construction Technology Research Center of Fukui), а также университетов Фукуи (Fukui University) и Осаки (Osaka University) разработали технологию, позволяющую по меньшей мере в начале зимы избежать очистки снега и наледи на мосту. Первая такая система в настоящее время монтируется на мосту Саваи (Saiwai Bridge) (рис. 1), перекинутом через р. Асува (Asuwa) в г. Фукуи (Fukui). В толще дорожного полотна размещены сотни трубок с теплоносителем. Они связаны через циркуляционный насос с набором из 378 скважин (установленных в 42 ряда и 9 столбцов), пробуренных в толще грунта на берегу реки. Скважины отстоят друг от друга на 1,5 м. Летом насос будет включаться автоматически, когда асфальт под лучами солнца прогреется до высокой температуры. Эта энергия будет перекачиваться под землю. Расчёты показывают, что за лето солидный блок грунта размером 15*64,5*23 м (он пронизан теми самыми скважинами) прогреется до 35 °С, и далее до самого декабря он будет сохранять достаточно высокую температуру, чтобы мост мог растапливать выпадающий снег, прокачивая жидкость через это подземное хранилище летнего тепла [6].
Рис. 1. Схема системы долгосрочного накопления тепла в грунтовом массиве
Существенными недостатками технологии, предложенной японскими учеными, являются сложность и высокая стоимость монтажа и последующей эксплуатации данной конструкции, а также возможность ее применения только на территориях с умеренным и относительно теплым климатом.
Компания Solar Roadways («Солнечные дороги») заключила договор с Федеральным дорожным агентством США на строительство дорог нового
типа в Бойсе (штат Айдахо). Разработка Solar Roadways, которую создал главный инженер и основатель компании Скотт Брюсо, представляет собой солнечную панель размером 3,6x3,6 м, вырабатывающую 7,6 кВт электричества в сутки. Панель попросту заменяет собой асфальтовое покрытие. Она изготовлена из специального сверхпрочного стекла, не блестящего на солнце и по сцепным качествам не уступающего асфальтобетонным покрытиям. «Солнечная дорога» содержит нагревательные элементы, расплавляющие снег и лед (аналогичную технологию применяют в стеклах кузова многих автомобилей). На основе «солнечных дорог» Скотт Брюсо в будущем намерен создать мировую шоссейную инфраструктуру нового поколения. Согласно его замыслу, дороги ночью будут работать за счет той энергии, которую вырабатывают дороги на другой стороне Земли, где солнце еще светит.
Технология борьбы со снежными отложениями разрабатывается также в политехническом институте г. Ворчестера Раджибом Маликом [7]. Его идея заключается в том, чтобы использовать не фотоэлектрическую панель, а теп-лопоглощающие дороги. В них встроены трубы с незамерзающей жидкостью, которая при необходимости нагревается. По оценке Малика, эта система сэкономит бюджету 12 тыс. 500 долл. на каждые 50 м труб, а срок ее окупаемости составит не более шести месяцев [7]. Схожую с технологией Раджиба Малика предлагают и швейцарские ученые. Идея заключается в захвате солнечной энергии покрытием моста в летний период и хранении этой тепловой энергии в земле при помощи трубопроводов, проходящих в опорах моста. Подогрев осуществляется за счёт циркуляции в трубопроводах теплоносителя.
Для подогрева покрытия городских улиц учёные предлагают использовать тепло подземных тоннелей, где постоянная температура достигает +25 °С [8]. Существенными недостатками технологий, предлагаемых американскими и швейцарскими учеными, являются сложность и высокая стоимость монтажа и последующей эксплуатации конструкций.
В нашей стране начиная с восьмидесятых годов прошлого века были зарегистрированы различные патенты на изобретение систем обогрева покрытия проезжей части автомобильных дорог и искусственных сооружений на них.
Например, согласно авторскому свидетельству SU 1715921 А1 Е 01 С 11/26 [9] предлагалась следующая конструкция нагрева дорожного покрытия (рис. 2).
Продольные шины 1 теплового элемента, выполненные из нитей углерода шириной 10 мм и толщиной 1-2 мм, уложены параллельно через промежуток 0,5 м на полотнище из ионизированной полиэтиленовой пленки 2, шины сверху по всей своей длине изолированы полосками 3 шириной 20-25 мм из такой же пленки, наклеенной эпоксифенольным клеем. Сверху на шины в поперечном направлении укладывают алюминиевые шины 4, находящиеся в контакте с продольными шинами 1 теплового элемента. Полотнище 2 с закрепленными на нем тепловыми шинами 1 наматывают на катушку и транспортируют к месту производства дорожных работ. Затем укладывают пластины 4 и всю конструкцию закрывают верхним слоем дорожного покрытия. При обледенении проезжей части пластины 4 подключают к источнику электрического тока при помощи проводов 5-8.
Рис. 2. Чертеж конструкции нагрева дорожного покрытия
Автором другого патента RU 2059028 а МПК Е01С11/24, Е01С11/26 [10] предлагалось устройство для предотвращения и удаления гололеда с поверхности аэродромных и дорожных покрытий. Сущность изобретения заключалась в следующем: устройство включает теплопередающие элементы из прямолинейных гофрированных отдельных независимых друг от друга герметичных труб. Трубы частично заполнены легкокипящей жидкостью и расположены под слоем покрытия перпендикулярно его продольной оси и с уклоном к его краям. Концевые участки труб выведены за пределы покрытия и соединены с источником тепла шарнирно посредством легкосъемных соединений. В качестве источников тепла использованы магистральные теплоподающие и обратные трубопроводы, размещенные в железобетонных лотках.
Автором патента RU 2296832 С1 Е01С11/26 [11] предлагается для предотвращения снежно-ледяных образований использовать настил, включающий снабженные греющим кабелем прямоугольные в плане пластины 1 (рис. 3), установленные на дорожное основание продольными и (или) поперечными рядами. На верхней поверхности каждой пластины вдоль ее центральной продольной оси выполнена канавка 2, в которой уложен греющий кабель 3 и сверху него заглушка 4. На противоположных концевых участках канавки выполнены сквозные отверстия, а края пластины отогнуты вниз в виде продольных 5 и поперечных отбортовок 6. Для объединения смежных пластин, в противоположных краевых зонах каждой канавки выполнены два сквозных отверстия 7, а в поперечных отбортовках 6 в зоне пересечения их с канавкой 2 образованы пазы 8. Пазы 8 и 9 могут быть образованы при изготовлении пластины из прямоугольного в плане плоского листа, на котором по всему периметру наносят линии отгиба. Пластины 1 могут быть установлены на упругие прокладки 10. Между смежными краями пластин могут быть уста-
новлены дополнительные уплотнительные прокладки 11. Для предотвращения скольжения и для прохождения талой воды на пластинах на ее наружной стороне могут быть выполнены насечки 12.
12
1
Б I
Б-Б
А-А
7
8
11
Рис. 3. Чертеж настила для предотвращения снежно-ледяных образований
Из вышеперечисленного следует, что идея борьбы с зимней скользкостью тепловым способом тем или иным образом реализуется в отдельных странах. Однако переходу к повсеместному использованию разработанных методов, на наш взгляд, мешают следующие факторы:
1) высокая стоимость электроэнергии;
2) технологическая сложность конструкций для обогрева покрытий при их сооружении и дальнейшей эксплуатации;
3) климатические особенности регионов.
С практической точки зрения основными задачами являются снижение затрат на электроэнергию, создание простых и дешевых конструкций для обогрева. Их решение позволит повысить экономическую эффективность теплового способа борьбы с зимней скользкостью и использовать его более широко при осенне-весеннем содержании мостовых сооружений.
Повышение экономической эффективности указанного способа возможно вести по следующим направлениям:
1. Внедрение в систему обогрева устройств и изобретений, позволяющих получать электроэнергию из возобновляемых источников с минимальными затратами.
2
6
4
9
5
9
2. Использование автоматических датчиков состояния поверхности проезжей части мостов, позволяющих системе работать в режиме ожидания, включаясь только в случае необходимости, экономя тем самым энергоресурсы.
3. Разработка, поиск и внедрение инновационных нагревательных элементов, обладающих минимальной потребляемой мощностью, повышенной теплоотдачей, простой и относительно дешевой конструкцией. Это позволит не только значительно сократить затраты на энергоресурсы, но и снизить стоимость их монтажа и последующей эксплуатации.
Что касается первого направления, то проведенный анализ автономных источников показал, что перечень таких разработок достаточно широк и к настоящему времени имеется много новых запатентованных изобретений и готовых к реализации устройств, позволяющих получать электроэнергию путем преобразования солнечной, ветровой, водной и т. п. энергий. Так, изобретение, представленное в патенте RU 2459973 С1 МПК F03B13/00, F03B13/10 [12], позволяет преобразовывать силу течения реки в электрическую энергию путем монтажа на подводную часть опоры моста генерирующего устройства. Преобразование ветровой и солнечной энергии в электрическую возможно представленными на рынке ветровыми электростанциями и ветрогенераторами, солнечными панелями, различающимися по конструкции и вырабатываемой мощности. Использование этих устройств позволит по истечении срока окупаемости (5-6 лет) минимизировать затраты на энергоносители и тем самым значительно повысить экономическую эффективность данного способа.
Анализ развития второго направления - использование автоматических датчиков состояния поверхности проезжей части мостов - также показывает, что на рынке широко представлены контактные и бесконтактные приборы отечественного и импортного производства. Данные устройства типа автоматических дорожных метеостанций (АДМС) позволяют в автоматическом режиме контролировать состояние поверхности проезжей части мостового сооружения (сухо, влажно, мокро, лед, снег, направление и скорость ветра и т. д.) и передавать сигнал на включение и отключение системы.
В отличие от первых двух, третье направление представляло наибольшую сложность. Необходим был не только поиск инновационных нагревательных элементов с минимальной потребляемой мощностью и повышенной теплоотдачей, позволяющих значительно сократить затраты на энергоресурсы, но и разработка схемы их монтажа в конструкцию дорожной одежды мостового сооружения. При этом схема (технология) монтажа должна отличаться относительной простотой и низкой себестоимостью.
Одним из перспективных решений в реализации третьего направления является применение нанокомпозиционных материалов и покрытий. В качестве материала предполагается использовать нанокомпозиционные тепловыделяющие покрытия, разработанные учеными Томского государственного архитектурно-строительного университета [13]. Основу такого покрытия составляет смесь токопроводящего технического углерода марки К-163 (18-22 % по массе) с полиуретановым лаком (82-78 % по массе). Область рабочих температур данного покрытия составляет 25-110 °С. Так как полиуретанам свойственна высо-
кая адгезия практически ко всем материалам, нанокомпозиционное тепловыделяющее покрытие можно нанести практически на любую поверхность и уложить под верхний слой асфальтобетонного покрытия мостового сооружения. В качестве несущей поверхности решено использовать плоскую георешетку или геосетку, применяемую для армирования асфальтобетонных слоев [14].
На основе полученных решений разработана система обогрева покрытия с помощью композиционного резистивного материала 4, нанесенного на георешетку 3 и являющегося нагревательным элементом (рис. 4). Плоская георешетка или геосетка укладывается между верхним 1 и нижним 2 слоями усовершенствованного покрытия при строительстве или поверх старого слоя покрытия при его ремонте [14]. Нагрев покрытия происходит в результате излучения тепловой энергии 5 с поверхности тепловыделяющего слоя.
Рис. 4. Схема расположения элементов системы обогрева покрытия мостового сооружения
Подсоединение нагревательных элементов производится с помощью электрической шины, соединенной электропроводом с блоком управления, установленным на осветительной опоре (рис. 4). Включение и отключение системы обогрева контролируется автоматической дорожной метеостанцией (АДМС), которая также устанавливается на осветительной опоре на высоте 2-4 м над уровнем покрытия [2, 3]. Электропитание данной системы может осуществляться как от внешних, так и от автономных источников тока.
Применение данной системы позволит:
1. Обеспечить быстрый и равномерный нагрев по ширине проезжей части мостового сооружения, позволяющий предотвратить образование всех видов скользкости на покрытии.
2. Снизить энергозатраты на 30-40 % за счет работы системы в режиме ожидания.
3. Обеспечить технологичность устройства и длительный срок службы системы.
4. Минимизировать дополнительные трудозатраты на устройство обогревающего элемента, себестоимость конструкции.
5. Увеличить срок службы армированного покрытия.
6. Предотвратить образование отраженных трещин на покрытии при его ремонте.
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 ТГАСУ. - 2013. - № 2. - С. 354-361.
2. ОДМ 218.2.2003-2009. Методические рекомендации по специализированному прогнозу состояния дорожного покрытия: рекомендованы к применению распоряжением Росав-тодора от 25.11.2009 г. № 493-р. - 23 л.
3. 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.
4. Зимнее содержание автомобильных дорог / Г.В. Бялобжеский, А.К. Дюнин, Л.Н. Плакса, Л.М. Рудаков, Б.В. Уткин ; под ред. А.К. Дюнина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1983. - 197 с.
5. Сайт ТЕПЛО.КОМ. - Условия доступа : http://teplo.com/devireview63.html
6. Сайт GizMod.RU. - Условия доступа : http://gizmod.ru/2007/10/01/zimoj_japonskie_mosty_ obogrejut_sebja_sami/
7. Сайт FINANCE-TIMES. - Условия доступа : http://www.finance-times.ru/text/?structre=109 &item=9045&selection
8. Сайт БлогБустер. - Условия доступа : http://www.blogbooster.ru/feed.php?feedid=3966
9. 1715921 А1 Е 01 С 11/26 SU. Устройство для нагрева дорожного покрытия. Заявка ФРГ №3307078, кл. Е 01 С 11/26, 1982.
10. Пат. RU 2059028 C1, МПК E01C11/24, E01C11/26. Устройство для предотвращения и удаления гололеда с поверхности аэродромных и дорожных покрытий. Заявка : 93027770/33, 12.05.1993. Опубликовано : 27.04.1996.
11. Пат. RU 2296832 C1, E01C11/26, МПК E01C11/26 (2006.01). Настил для предотвращения и удаления снежно-ледяных образований. Заявка : 2005123284/03, 22.07.2005. Опубликовано : 10.04.2007.
12. Пат. RU 2459973 C1, МПК F03B13/00, F03B13/10. Система автономного освещения моста. Заявка : 2011121638/06, 27.05.2011. Опубликовано : 27.08.2012.
13. Нанокомпозиционное тепловыделяющее покрытие для термоактивной опалубки / Т.Д. Малиновская, А.В. Рубанов, В.М. Калыгина, С.В. Мелентьев // Вестник ТГАСУ. -2010. - № 1. - С. 150-157.
14. 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 Росав-тодора от 26.11.2009 № 502-р. - 69 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. ODM 218.2.2003-2009. Metodicheskie rekomendatsii po spetsializirovannomu prognozu sos-toyaniya dorozhnogo pokrytiya: rekomendovany k primeneniyu rasporyazheniem Rosavtodora ot 25.11.2009 [Methodological recommendations on specialized forecast of road pavements, 25.11.2009]. No. 493-r. 23 p. (rus)
3. ODM 218.8.001-2009. Metodicheskie rekomendatsii po spetsializirovannomu gidrometeoro-logicheskomu obespecheniyu dorozhnogo khozyaistva: utv. rasporyazheniem Federal'nogo dorozhnogo agentstva ot 26.11.2009 [Methodological recommendations on specialized hy-drometeorological support of road facilities, 26.11.2009]. No. 499-r. 33 p. (rus)
4. Byalobzheskii, G.V., Dyunin, A.K., Plaksa, L.N., Rudakov, L.M., Utkin, B.V. Zimnee soderzha-nie avtomobil'nykh dorog [Winter maintenance of automobile roads]. Ed. A.K. Dyunin. Moscow : Transport, 1983. 197 p. (rus)
5. Access conditions: http://teplo.com/devireview63.html
6. Access conditions: http://gizmod.ru/2007/10/01/zimoj_japonskie_mosty_ obogrejut_sebja_sami/
7. Access conditions: http://www.finance-times.ru/text/?structre=109 & item=9045&selection
8. Access conditions: http://www.blogbooster.ru/feed.php?feedid=3966
9. 1715921 A1 E01 C11/26 SU. Ustroistvo dlya nagreva dorozhnogo pokrytiya [Road pavement heating device]. Germany patent application N 3307078, C. E 01 C 11/26, 1982.
10. Pat. Rus. Fed. N 2059028 C1 IPC E01C11/24, E01C11/26. Ustroistvo dlya predotvrashcheni-ya i udaleniya gololeda s poverkhnosti aerodromnykh i dorozhnykh pokrytii [Device for prevention and removal of ice-covering from airdrome and road pavements]. IPC E01C11/24, E01C11/26. Patent application N 93027770/33, 12.05.1993. Publ. 27.04.1996. (rus)
11. Pat. Rus. Fed. N 2296832 C1 E01C11/26. Nastil dlya predotvrashcheniya i udaleniya snezhno-ledyanykh obrazovanii [Decking for prevention and removal of snow-and-ice bodies]. IPC E01C11/26. Patent application N 2005123284/03, 22.07.2005. Publ. 10.04.2007. (rus)
12. Pat. Rus. Fed. N 2459973 C1. Sistema avtonomnogo osveshcheniya mosta [System of bridge self-illumination]. IPC F03B13/00, F03B13/10. Patent application N 2011121638/06, 27.05.2011. Publ. 27.08.2012. (rus)
13. Malinovskaya, T.D., Rubanov, A.V., Kalygina, V.M., Melent'ev, S.V. Nanokompozitsionnoe teplovydelyayushchee pokrytie dlya termoaktivnoi opalubki [Nanocomposite heat-emitting coating for thermosetting casing]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2010 . No. 1. Pp 150 - 157. (rus)
14. ODM 218.5.001-2009. Metodicheskie rekomendatsii po primeneniyu geosetok i ploskikh georeshetok dlya armirovaniya asfal'tovykh sloev usovershenstvovannykh vidov pokrytii pri kapital'nom remonte i remonte avtomobil'nykh dorog: utv. rasporyazheniem Rosavtodora ot 26.11.2009 [Methodological recommendations on geoweb and geonet application for reinforcing of improved asphalt layers at capital repair of highways, 26.11.2009]. No. 502-r. 69 p. (rus)
