CC BY
53
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №3 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-3 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/77TVN315.pdf DOI: 10.15862/77TVN315 (http://dx.doi.org/10.15862/77TVN315)
УДК 621.5
Кочетков Андрей Викторович
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Россия, г. Пермь1 Профессор Доктор технических наук E-mail: soni.81@mail.ru
Янковский Леонид Вацлавович
ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Россия, г. Пермь Доцент
Кандидат технических наук E-mail: yanekperm@yandex.ru
Аржанухина Софья Петровна
Федеральное автономное учреждение «Российский дорожный научно-исследовательский институт «РОСДОРНИИ»
Россия, Москва Главный специалист Кандидат технических наук E-mail: soni.81@mail.ru
Шашков Игорь Геннадиевич
Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
Россия, г. Воронеж Преподаватель Кандидат технических наук E-mail: igoshashkov@yandex.ru
1 410022, г. Саратов, ул. Азина, д. 38 «В», кв. 4
Бобков Александр Витальевич
Федеральное автономное учреждение «РОСДОРНИИ»
Россия, Москва Инженер E-mail: nii_eko@mail.ru
Совершенствование рецептур низкотемпературных противогололедных материалов
Аннотация. Низкотемпературное противогололедное средство относится к области зимнего содержания зданий и сооружений, может быть применена для зимнего содержания автомобильных дорог, различных открытых поверхностей, подверженных воздействию или различным видам проявлений низких температур.
Поставленная задача достигается тем, что в противогололедном средстве, содержащем гранулы из хлоридов, каждая из гранул выполнена в виде спрессованной смеси хлористого кальция и хлорида калия, при объемном соотношении в грануле хлористого калия и хлористого кальция от 2:1 до 4:1, при этом между частицами хлористого калия и хлористого кальция размещен соединительный слой из кристаллогидрата хлорида кальция.
При этом в грануле объем хлористого калия составляет 45-85 %, объем безводного хлористого кальция 25-45 %, толщина соединительного слоя из кристаллогидрата хлорида кальция - 0,01-0,1 мм, а размер гранулы составляет 2-7 мм.
Заявляемая совокупность признаков позволяет расширить диапазон эффективного применения протигололедного средства, обеспечить его удешевление и эффективность применения в качестве компонента противогололедного материала хлористого калия, добываемого на месте. Достигнутая эффективность выразилась в расширении температуры применения в диапазон от 0° до -10°С в сравнении с температурой применения (в качестве основного компонента) хлористого кальция (от -10°С и ниже).
Кроме того, заявляемое противогололедное средство позволяет на 20-40 % снизить стоимость производства ПГМ, вырабатываемого из местного сырья.
Ключевые слова: автомобильные дороги; дорожное покрытие; низкотемпературные противогололедные материалы; зимнее содержание; теоретико-вероятностный подход; теплофизическое взаимодействие; хлористый кальций.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Кочетков А.В., Янковский Л.В., Аржанухина С.П., Шашков И.Г., Бобков А.В. Совершенствование рецептур низкотемпературных противогололедных материалов // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №3 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/77TVN315.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/77TVN315
Введение
При анализе научно-технической информации по вопросам разработки составов противогололедных материалов (1 И М) были обобщены основные эксплуатационные свойства к химическому и конструктивно-компоновочному составу, а также технологии подготовки противогололедных материалов нового поколения [1-8]:
• адаптированность к российским климатическим условиям (значительному количеству переходов через температурный ноль, значительной вариативности параметров системы «дорога-снежно-ледяные отложения-окружающая среда»); понижение точки замерзания до температуры, характерной для данного региона в зимние месяцы;
• глубина проникновения - способность проникать сквозь слой льда и нарушать его сцепление с дорожным покрытием;
• плавящая способность (применение при температурах от -10оС до -34°С), определяющую нормы применения на дорожных покрытиях - способность плавить лед за определенный промежуток времени при определенной температуре (как правило, ПГМ, устраняющие обледенение, используют в количестве, необходимом для таяния 30 % льда в течение 30 мин. при небольшой интенсивности транспортного потока);
• длительность эффективного применения;
• вязкость растворов, от величины которой зависит снижение сцепления колеса транспортного средства с дорогой, определяющий безопасность применения материала;
• отсутствие посторонних примесей, вызывающих принципиальную неопределенность результатов испытаний на этапах сертификации и приемки-сдачи;
• -особенности высыхания растворов ПГМ на автомобильной дороге и условия образования «черной грязи» с учетом давления насыщенных паров;
• отсутствие негативных свойств самопроизвольного образования лужиц на сухом дорожном покрытии из-за притяжения воды из окружающего пространства;
• соответствие экологическим нормативам, определяющее экологические последствия применения ПГМ, в том числе отсутствие механизмов образования токсичных соединений в воздухе и сточных водах;
• соответствующую установленным нормативам коррозионную активность к материалам и элементам конструкции транспортных средств и дорожных сооружений;
• незначительность воздействия на кожу обуви (косметические последствия);
• отсутствие следов на дорожном покрытии после уборки;
антислеживаемость, как технологический фактор хранения, транспортировки и распределения;
• обеспечение возможности равномерного распределения по дорожному покрытию с минимальной погрешностью;
• возможность использования существующей инфраструктуры зимнего содержания (закрытых складов, оборудования и дорожных машин);
• возможности научного и инженерно-технического сопровождения производства и применения.
Теоретическое и практическое решение
Разработанное низкотемпературное противогололедное средство относится к области зимнего содержания зданий и сооружений, может быть применено для зимнего содержания автомобильных дорог, различных открытых поверхностей, подверженных воздействию или различным видам проявлений низких температур.
Известен состав противогололедного материала из базового хлорида металла (например, хлористый натрий), который перед применением смачивается раствором другого хлорида металла (например, хлористого кальция) (патент KZ № 24771 на изобретение, МПКЕ01С 19/20, Е01Н 10/00, опубл. 17.10.2011 г.).
Недостатком известного решения является необходимость применения специализированного дорогостоящего передвижного распределительного оборудования.
Известен ПГМ, состоящий из смеси хлоридов кальция и натрия (ОДМ Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. - М.: Информавтодор, 2003).
Технический результат достигается за счет тепловыделяющих свойств безводного хлористого кальция (одна гранула дает до 20 кал теплоты). Недостатком является высокий риск сегрегации (появлении неоднородностей) в смеси, за счет чего на обработанном покрытии появляются неравномерно растаявшие островки СЛО, например, на дорожном покрытии, что приводит, например, к высокому риску возникновения дорожно-транспортных происшествий по причине дорожных условий.
Известен компактированный (спрессованный и раздробленный) состав из безводного хлористого кальция и хлористого натрия в пропорции одна часть хлористого кальция и три части другого хлорида металла (в данном случае, натрия). Недостатком известного ПГМ является необходимость применения достаточно дорогой пищевой поваренной соли и необходимость ее привоза из отдаленных регионов, а также то, что вяжущие свойства обеспечиваются путем прессования (силой или деформацией), а не управлением системными свойствами соединения между хлоридами.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является гранулированное противогололедное средство, содержащее гранулы, каждая из которых выполнена с внутренним ядром из хлористого натрия и внешней оболочкой из хлористого кальция, при этом внешняя оболочка гранулы дополнительно содержит ингибитор коррозии, при следующем соотношении компонентов, вес. ч.: хлористый натрий 10-90; хлористый кальций 10-90; ингибитор коррозии 0,5-20 (патент РФ №2283336, МПК С09КЗ/18, В0Ш/16, опубл. 10.09.2006 г.).
Недостатком известного технического решения является то, что внешняя оболочка является сплошной и выполнена из хлористого кальция, который наиболее эффективно работает в диапазоне ниже -10°С.
Сложность технологического процесса и стоимость транспортировки хлористого натрия, добываемого на ограниченных территориях, обуславливает высокую себестоимость таких гранул.
Задачей является расширение диапазона эффективного применения, удешевление и обеспечение эффективности применения в качестве компонента противогололедного материала хлористого калия, добываемого на месте.
Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является расширение температурного диапазона применения ПГМ.
Поставленная задача достигается тем, что в противогололедном средстве, содержащем гранулы из хлоридов, каждая из гранул выполнена в виде спрессованной смеси хлористого кальция и хлорида калия, при объемном соотношении в грануле хлористого калия и хлористого кальция от 2:1 до 4:1, при этом между частицами хлористого калия и хлористого кальция размещен соединительный слой из кристаллогидрата хлорида кальция.
При этом в грануле объем хлористого калия составляет 45-85 %, объем безводного хлористого кальция 25-45 %, толщина соединительного слоя из кристаллогидрата хлорида кальция - 0,01-0,1 мм, а размер гранулы составляет 2-7 мм.
Заявляемая совокупность признаков позволяет расширить диапазон эффективного применения протигололедного средства, обеспечить его удешевление и эффективность применения в качестве компонента ПГМ хлористого калия, добываемого на месте.
Это обусловлено тем, что внешняя оболочка гранулы состоит из обоих компонентов, прочно связанных между собой соединительным слоем, что позволяет обеспечить равномерность и одновременность взаимодействия обоих компонентов со СЛО.
При этом за счет того, что массовое доля частиц хлористого калия в грануле превышает массовую долю частиц хлористого кальция, обеспечивается расширение температурного диапазона применения противогололедного материала, так как хлористый калий эффективно вступает в реакцию со СЛО лишь при температуре от 0° до-10°С.
Кроме того, это определяет низкую себестоимость гранул, так как хлористый кальций добывается во многих регионах и часто является отходом производства, поэтому не требуются значительные затраты на его доставку к месту использования и хранения.
Соединительный слой обеспечивает прочное соединение частиц хлористых калия и кальция между собой за счет того, что при прессовании в пограничных слоях хлористый кальций вступает в реакцию с молекулами воды, содержащейся в хлористом калии, с образованием слоя из кристаллогидрата хлорида кальция.
Кроме того, соединительный слой обеспечивает однородность соединения частиц хлористых калия и кальция, что обуславливает пониженный риск сегрегации, а малая зависимость от влияния температуры и механических воздействий обуславливает благоприятные условия для хранения, транспортировки и распределения на дорожном покрытии.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, где условно показан пример выполнения гранул (рисунок 1).
2
Рисунок 1. Пример выполнения гранул (рис. авторов)
Позиции на рисунке 1 означают: 1 - хлористый калий, 2 - безводный хлористый кальций, 3 - соединительный слой из кристаллогидрата хлористого кальция.
Противогололедное средство содержит гранулы, каждая из которых выполнена в виде спрессованной смеси хлористого калия 1 и хлористого кальция 2 и, при объемном соотношении в грануле хлористого калия 1 и хлористого кальция от 2:1 до 4:1, при этом между частицами хлористого калия и хлористого кальция размещен соединительный слой 3 из кристаллогидрата хлорида кальция (чертеж).
За счет того, что внешняя оболочка гранулы состоит из обоих компонентов, а объемное содержание хлористого калия 1 в грануле превышает объемное содержание хлористого кальция 2, обеспечивается расширение температурного диапазона применения ПГМ, так как хлористый калий 1 эффективно вступает в реакцию со снежно-ледяным образованием при температуре от 0° до -10°С.
Обсуждение результатов
Эмпирически установлено, что наиболее целесообразно размер гранулы выбирать в пределах 2-7 мм, что обусловлено необходимостью обеспечения условий механического сцепления колес транспортных средств и дорожного покрытия.
При этом в грануле объем хлористого калия составляет 45-85 %, объем безводного хлористого кальция 25-45 %, а толщина соединительного слоя 3 двухводного хлористого кальция - 0,01-0,1 мм.
Данные размеры обоснованы особенностями процесса проникновения гранулы ПГМ в СЛО на дорожном покрытии, при котором активно кристаллогидратируется хлористый кальций 2 с образованием тепла, растапливая лед и снег за счет выделения тепла; и начинает растворяться хлористый калий.
После достижения дорожного покрытия наступает этап растворения тонкой линзы на поверхности дорожного покрытия (соотношение объемов в грануле определяют ширину линзы, чем больше хлористого кальция, тем пропорционально больше площадь линзы).
При объеме хлористого калия менее 45-85 % ухудшается процесс растворения тонкой линзы на поверхности дорожного покрытия, что снижает эффективность использования противогололедного средства.
При превышении объема хлористого кальция более 50 % увеличивается стоимость ПГМ, а также возникает вероятность неодновременного расплавления СЛО, что приводит к разной величине коэффициента сцепления на локальных участках дорожного покрытия и повышению риска возникновения дорожно-транспортных происшествий (до двух раз).
При необходимости эту пленку сделать из четырехводного или шестиводного хлористого кальция хлористый калий перед технологической операцией необходимо увлажнять (от 0,1 до 1,0 % воды по массе).
Размер соединительного слоя 3 в пределах 0,01-0,1 мм обусловлен процессом его образования, представляющим собой реакцию кристаллогидратирования, т.е. присоединение молекулы воды из хлористого калия к молекуле хлористого кальция.
Соединительный слой 3 из кристаллогидрата хлорида кальция позволяет приобрести для ПГМ следующие требуемые свойства:
• однородность соединения,
• пониженный риск сегрегации,
• малая зависимость от влияния температуры и механических воздействий на этапах хранения, транспортировки и распределения,
• простота технологии приготовления и распределения.
Заявляемое противогололедное средство может быть получено следующим образом.
Три части хлористого калия 1 производства ОАО «Уралкалий» и одна часть безводного хлористого кальция 2 перемешиваются в пропорции три к одному и прессуются между вращающимися металлическими валками в ленту, которая, проходя определенное расстояние вниз под действием силы тяжести попадает в дробилку, где происходит ее дробление на гранулы 3-7 мм, которые сортируются на ситах и поступают на участок упаковки.
Проведенные в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» опытные исследования показали эффективность данного ПГМ для зимнего содержания зданий и сооружений, в том числе автомобильных дорог.
Достигнутая эффективность выразилась в расширении температуры применения в диапазон от 0° до -10°С в сравнении с температурой применения (в качестве основного ПГМ) хлористого кальция (от -10°С и ниже).
Кроме того, заявляемое противогололедное средство позволяет на 20-40 % снизить стоимость производства ПГМ, вырабатываемого из местных компонентов.
Технические характеристики заявляемого ПГМ соответствуют целям и требованиям Федерального закона «Технический регламент «О безопасности зданий и сооружений», а также нормативных документов и контрактной документации в области зимнего содержания автомобильных дорог и других видов зданий и сооружений.
Выводы
1. Проведенный анализ позволил сформировать требования к низкотемпературным ПГМ.
2. Выявлены основные эксплуатационные и теплофизические характеристики компактированного гранулированного ПГМ на основе трех частей хлористого натрия и одной части хлористого кальция.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рекомендации по обеспечению экологической безопасности придорожной полосы при зимнем содержании автомобильных дорог. - Министерство транспорта Российской Федерации, ГП Информатор, 2003.
2. Аржанухина С.П. Выбор требований к противогололедным материалам для зимнего содержания автомобильных дорог мегаполиса / С.П. Аржанухина, А.В. Кочетков, Л.В. Янковский и др. // Вода: химия и экология. - 2013. - №4. - С. 106-115.
3. Проектирование структуры информационного обеспечения системы менеджмента качества дорожного хозяйства / Кочетков А.В., Гладков В.Ю., Немчинов Д.М. // Интернет-журнал «Науковедение». 2013. №3 (16). С. 72.
4. Рапопорт П.Б., Рапопорт Н.В., Полянский В.Г., Соколова Е.Р., Гарибов Р.Б., Кочетков А.В., Янковский Л.В. Анализ срока службы современных цементных бетонов // Современные проблемы науки и образования. 2012. №4; URL: http://www.science-education.ru/104-6559.
5. Кокодеева Н.Е., Кочетков А.В., Янковский Л.В. Методические подходы реализации принципов технического регулирования в дорожном хозяйстве // Охрана окружающей среды. Транспорт. Безопасность жизнедеятельности: Вестник ПГТУ. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011. №1. - С. 44-56.
6. Нормативное и технологическое развитие инновационной деятельности дорожного хозяйства / Аржанухина С.П., Кочетков А.В., Козин А.С., Стрижевский Д.А. // Интернет-журнал «Науковедение». 2012. №4(13). С. 69.
7. Совершенствование структуры отраслевой диагностики федеральных автомобильных дорог / Аржанухина С.П., Кочетков А.В., Козин А.С., Стрижевский Д.А. // Интернет-журнал «Науковедение». 2012. №4(13). С. 70.
8. Диагностика и паспортизация элементов улично-дорожной сети системой видеокомпьютерного сканирования / Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Кочетков А.В., Беляев Д.С. // Интернет-журнал «Науковедение». 2013. №3(16). С. 55.
Рецензент: Овчинников И.Г., профессор кафедры «Транспортное строительство», д.т.н., зам. руководителя «Поволжского отделения Российской академии транспорта», ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Kochetkov Andrey Viktorovich
Perm national research polytechnical university
Russia, Perm E-mail: soni.81@mail.ru
Yankovskiy Leonid Vatslavovich
Perm National Research Polytechnical University
Russia, Perm E-mail: yanekperm@yandex.ru
Arganuchina Sofia Petrovna Federal autonomous institution of «ROSDORNII»
Russia, Moscow E-mail: soni.81@mail.ru
Shashkov Igor' Gennadievich
Military and air academy of a name of professor N.E. Zhukovskogo and Yu.A. Gagarin
Russia, Voroneg E-mail: igoshashkov@yandex.ru
Bobkov Ateksandr Vitalievich
Federal autonomous institution of «ROSDORNII»
Russia, Moscow E-mail: nii_eko@mail.ru
Low-temperature deicing means
Abstract. Low-temperature deicing means belongs to area of winter maintenance of buildings and constructions, can be applied to winter maintenance of highways, various open surfaces subject to influence or different types of manifestations of low temperatures.
The objective is reached by that in deicing means containing granules from chlorides, each of granules is executed in the form of pressed mix of chloride calcium and chloride of potassium, at a volume ratio in a granule of chloride potassium and chloride calcium from 2:1 to 4:1, thus between particles of chloride potassium and chloride calcium connecting layer from calcium chloride crystalline hydrate is placed.
Thus in a granule volume of chloride potassium makes 45-85%, the volume of waterless chloride calcium of 25-45%, thickness of a connecting layer from calcium chloride crystalline hydrate - 0,01-0,1 mm, and size of a granule makes 2-7 mm.
The declared set of signs allows to expand the range of effective application of protigololedny means, to provide its reduction in cost and efficiency of application as a component of deicing material of chloride potassium extracted on a place. The reached efficiency was expressed in expansion of temperature of application in range from 0° to -10°C in comparison with application temperature (as main component) chloride calcium (from -10°C and below).
Besides, declared deicing means allows to reduce cost of production of PGM developed from local raw materials by 20-40%.
Keywords: highways; paving; low-temperature deicing materials; winter contents; probability-theoretic approach; heatphysical interaction; chloride calcium.
REFERENCES
1. Rekomendatsii po obespecheniyu ekologicheskoy bezopasnosti pridorozhnoy polosy pri zimnem soderzhanii avtomobil'nykh dorog. - Ministerstvo transporta Rossiyskoy Federatsii, GP Informator, 2003.
2. Arzhanukhina S.P. Vybor trebovaniy k protivogololednym materialam dlya zimnego soderzhaniya avtomobil'nykh dorog megapolisa / S.P. Arzhanukhina, A.V. Kochetkov, L.V. Yankovskiy i dr. // Voda: khimiya i ekologiya. - 2013. - №4. - S. 106-115.
3. Proektirovanie struktury informatsionnogo obespecheniya sistemy menedzhmenta kachestva dorozhnogo khozyaystva / Kochetkov A.V., Gladkov V.Yu., Nemchinov D.M. // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013. №3 (16). S. 72.
4. Rapoport P.B., Rapoport N.V., Polyanskiy V.G., Sokolova E.R., Garibov R.B., Kochetkov A.V., Yankovskiy L.V. Analiz sroka sluzhby sovremennykh tsementnykh betonov // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2012. №4; URL: http://www.science-education.ru/104-6559.
5. Kokodeeva N.E., Kochetkov A.V., Yankovskiy L.V. Metodicheskie podkhody realizatsii printsipov tekhnicheskogo regulirovaniya v dorozhnom khozyaystve // Okhrana okruzhayushchey sredy. Transport. Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti: Vestnik PGTU. - Perm': Izd-vo Perm. gos. tekhn. un-ta, 2011. №1. - S. 44-56.
6. Normativnoe i tekhnologicheskoe razvitie innovatsionnoy deyatel'nosti dorozhnogo khozyaystva / Arzhanukhina S.P., Kochetkov A.V., Kozin A.S., Strizhevskiy D.A. // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2012. №4(13). S. 69.
7. Sovershenstvovanie struktury otraslevoy diagnostiki federal'nykh avtomobil'nykh dorog / Arzhanukhina S.P., Kochetkov A.V., Kozin A.S., Strizhevskiy D.A. // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2012. №4(13). S. 70.
8. Diagnostika i pasportizatsiya elementov ulichno-dorozhnoy seti sistemoy videokomp'yuternogo skanirovaniya / Vasil'ev Yu.E., Belyakov A.B., Kochetkov A.V., Belyaev D.S. // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013. №3(16). S. 55.
