Computer management of the quality of anti-icing materials for highways

Full Text

Расширение сети автомобильных дорог, вызванное постоянным ростом автомобильного парка, увеличением объема грузооборота и перевозок пассажиров, предъявляет все более высокие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. В России наиболее сложным периодом остается зимний период, когда на дорожных покрытиях создаются условия к образованию различных видов зимней скользкости (снежного наката, мокрого снега, рыхлого снега, гололедицы/гололёда). Вся система мероприятий по зимнему содержанию дорог должна быть построена таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить наилучшие условия для движения автомобилей, с другой - максимально облегчить, ускорить и удешевить зимнее содержание. В практике зимнего содержания автомобильных дорог для борьбы с зимней скользкостью применяют фрикционный, химический, физико-химический и другие комбинированные методы. Выбор конкретных мероприятий производится в зависимости от действия метеорологического фактора, на ликвидацию которого это мероприятие рассчитано. Основным способом борьбы с зимней скользкостью на автомобильных дорогах общего пользования в России является применение химических противогололедных материалов (ПГМ). Анализ зарубежного опыта показал, что в последние годы также все шире применяются различные химические материалы для борьбы с зимней скользкостью на дорогах и городских улицах. Так, в США используют около 10 млн. т хлористого натрия и 300 тыс. т хлористого кальция, во Франции – 1,2 млн. т, в Англии – 1,5 млн. т, в Дании – до 400 тыс. т, в Финляндии – до 150 тыс. т хлоридов и т.д. За последние годы для борьбы с зимней скользкостью наряду с хлористыми солями стали применять экологически безопасные противогололедные материалы на основе ацетатов и формиатов, что значительно расширяет область применения химического способа [1]. Для автоматизации процедуры аналитического мониторинга химических ПГМ во ФГУП «ИРЕА» по госконтрактам с «Мосдорэкспертнадзором» и Минобрнауки России (ГК 16.552.11.7010) разрабатывается система компьютерного менеджмента качества (КМК-система) [2]. Разработка проводится на базе наиболее современной информационной системы компьютерной поддержки – CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support – непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта) [3]. В CALS-системе выделены следующие 3 основные категории ПГМ: химические, фрикционные и комбинированные (рисунок 1). В свою очередь химические делятся на 2 подкатегории: твердые и жидкие, в то время как комбинированные и фрикционные ПГМ – твердые. Кроме того, по составу в категории химических ПГМ выделяют хлориды, ацетаты, карбамиды, нитраты и природные рассолы, - в категории фрикционных – песок, щебень, шлак и песчано-гравийную смесь, а в категории комбинированных ПГМ – пескосоляную смесь. Фрикционные ПГМ по своему происхождению бывают искусственные (щебень, шлак) и естественные (песок, песчано-гравийная смесь (ПГС)). Они должны обеспечивать снижение зимней скользкости за счет повышения шероховатости снежно-ледяных отложений на дорожных покрытиях. Особую пользу абразивы приносят на заснеженной дороге в условиях низких температур, когда химические материалы теряют свою активность и их применение становится неэффективным. Основным преимуществом фрикционных материалов является мгновенное повышение шероховатости снежно-ледяных отложений (повышение коэффициента сцепления до 0,3). Однако фрикционный метод не устраняет скользкость, а только на некоторое время уменьшает ее отрицательные последствия. При этом рассыпанный абразивный материал задерживается на проезжей части короткое время – не более 0,5 часа. Для увеличения эффективности фрикционных материалов на обледенелых покрытиях в настоящее время применяют два способа: нагрев ПГМ и/или обработка их твердыми или жидкими хлоридами. а Рисуное 1 – Элемент КМК-системы ПГМ. Виды противогололедных материалов (а - технологические показатели) Химический способ борьбы с образовавшейся зимней скользкостью заключается в применении для плавления снега и льда твёрдых или жидких химических веществ, содержащих соли. Применение химических реагентов позволяет расплавить и устранить лёд и снег, после чего покрытие становится мокрым, а затем высыхает. Таким образом, химический метод позволяет полностью ликвидировать зимнюю скользкость. Химические ПГМ выпускают и применяют в твердом, жидком и смоченном виде. Сырьем для получения этих материалов чаще всего являются природные источники галита (NaCl), бишофита (MgCl2·6Н2О), карналлита (КCl MgCl2·6Н2О) или отходы химической, пищевой промышленности, а также минеральных удобрений (сильвинитовые, карнолитовые и др.). Кроме того, на многих территориях России широко распространены естественные рассолы. Они залегают на глубине 800-1000 м в артезианских бассейнах (пластовые вода), а также содержатся в солёных озёрах, лиманах. Естественные рассолы многокомпонентны с преобладанием ионов кальция, натрия, магния. На применение местных материалов нужно получить разрешение санитарно-эпидемиологической службы. За период с июля по декабрь 2011 г. в испытательной лаборатории ИЛ «Реактив» ФГУП «ИРЕА» были проведены испытания противогололедных материалов различного состава (двух-, трех- и многокомпонентные ПГМ - в общей сумме свыше 1100 образцов): жидкие (на основе хлористого кальция и хлористого натрия), твердые(на основе хлористого кальция и хлористого натрия, на основе хлористого кальция, хлористого натрия и формиата натрия, на основе хлористого кальция, хлористого натрия, хлористого калия, формиата натрия и мраморного щебня). Кроме того, на основе концепции CALS нами разработана КМК система химических противогололедных материалов. В основу структуры КМК-системы (рисунок 2) положена группировка ПГМ по химическому составу, включающая следующие 4 основные категории: хлориды (хлориды кальция, натрия, магния и ПГМ на их основе); ацетаты (ацетаты аммония, калия, кальция и ПГМ на их основе); карбамиды (мочевина, карбамидно-аммиачная селитра и ПГМ на их основе); нитраты (нитраты кальция, магния и ПГМ на их основе). Каждый из этих занесенных в КМК-систему химических ПГМ оценивается по ряду показателей, объединенных в четыре подкатегории: органолептические (внешний вид, цвет, запах), физико-химические (массовая доля растворимых солей, зерновой состав, температура начала кристаллизации, влажность, массовая доля нерастворимых в воде веществ, водородный показатель, плотность, динамическая вязкость), технологические (плавящая способность, гигроскопичность, слеживаемость) и экологические (коррозионная активность на металл, показатель агрессивного воздействия на цементобетон, удельная эффективная активность естественных радионуклидов, допустимое содержание химических веществ, не относящихся к действующему веществу ПГМ – водорастворимая форма фтора, валовое содержание цинка, свинца, никеля, меди, ртути, молибдена, кобальта, кадмия, хрома, селена, мышьяка). Нормы по этим показателям устанавливаются исходя из особенностей применения ПГМ для обработки дорожных покрытий. а Рисунок 2 – Элемент КМК-системы ПГМ по г. Москве. Экологические показатели: агрессивность ПГМ к стали и бетону В базы данных созданного нами CALS-проекта КМК-системы (рисунок 2) занесены индикаторы качества противогололедных материалов, применяемых на автомагистралях г. Москвы по «Временной инструкции по технологии зимней уборки проезжей части улиц и проездов с применением химических противогололедных реагентов» УЖКХ Правительства Москвы [4]. Проведенные по этим индикаторам испытания показали, что жидкие противогололедные материалы в силу однородности своего состава, как правило, удовлетворяют предъявляемым требованиям, в то время как характеристики твердых образцов химических ПГМ не всегда соответствуют нормам. На основании системного анализа результатов аналитического мониторинга выявлены 3 основных показателя, являющихся лимитирующими при выборе ПГМ: массовая доля растворимых солей, зерновой состав и водородный показатель (рН). Несоответствия нормам данных показателей могут быть объяснены рядом причин: · по показателям «Массовая доля хлористого кальция и хлористого натрия» наиболее вероятно, что несоответствие вызвано неоднородностью продукта, представляющего собой механическую (а не компактированную) смесь входящих в его состав компонентов; · по показателю «рН» несоответствие также может быть вызвано неоднородностью продукта, поскольку в некоторых случаях даже при соответствии установленным требованиям соотношения массовых долей хлористого кальция и хлористого натрия было замечено существенное завышение содержания хлористого кальция и занижение содержания хлористого натрия по сравнению со среднестатистическими результатами, что влияет на величину рН; · по показателю «Зерновой состав» несоответствие может быть вызвано следующими причинами: особенностями производства ПГМ (например, неоснащенность промышленными ситами нужного размера или надлежащего качества), неправильным хранением ПГМ на базе или в процессе транспортирования, в результате чего продукт слеживается. Рассматриваемый для Москвы ассортимент включает в себя 5 наименований ПГМ на основе хлоридов и ацетатов (рисунок 2а): «ХКМ жидкость», «Антиснег-1 жидкость», «Нордикс-П жидкость», «ХКФ твердый» и «Биомаг твердый». Противогололедные материалы «Антиснег-1 жидкость» и «Нордикс-П жидкость» представляют собой 30% растворы ацетатов аммония и калия соответственно, имеют одинаковые нормы расхода 20-45 мл/м2 и агрессивны только по отношению к бетону. ПГМ на основе хлористого кальция «ХКМ жидкость» и «ХКФ твердый» представляют собой 32% модифицированный раствор и хлористый кальций, ингибированный фосфатами, соответственно. Эти ПГМ агрессивно воздействуют как на сталь, так и на бетон и имеют нормы расхода 40-110 мл/м2 и 20-70 г/м2 соответственно. В рассматриваемый ассортимент также входит ПГМ «Биомаг твердый», представляющий собой хлористый магний модифицированный. Как и реагенты на основе хлористого кальция, «Биомаг твердый» агрессивно воздействует на сталь и бетон и имеет нормы расхода 30-80 г/м2. Ввод, редактирование и анализ информации по показателям качества проводился в комплексе PDM STEP Suite Enterprise Edition (PSS-EE), на который нами приобретена лицензия (APL-3451631-01). Применение CALS-стандарта (ISO 10303) при разработке информационной системы аналитического мониторинга позволяет повысить качество и оперативность аналитических исследований. В конечном итоге, выбранная информационная технология позволяет создать эффективную систему контроля качества химических ПГМ, соответствующую международным стандартам.

About the authors

A. M. Bessarabov

Science centre "Low-tonnage chemistry"

Ph.D., Prof.

A. N. Glushko

Scientific-research Institute of chemical reagents

T. I. Stepanova

Scientific-research Institute of chemical reagents

E. L. Gordeeva

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: к.т.н.. доц
Ph.D.

References

Supplementary files