Учет теплофизических характеристик противогололедных материалов при зимнем содержании автомобильных дорог

 
 
 
 
 
 
 
 
УЧЕТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК  
ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ  
ПРИ ЗИМНЕМ СОДЕРЖАНИИ  
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
 
1 

УДК 625.75 
ББК 39.311 
У91 
  
 
Авторы: 
Аржанухина С. П., Бобков А. В., Кочетков А. В., Кочетков Д. А.  
 
Рецензент: 
заслуженный деятель науки РФ, 
доктор технических наук, профессор И. Б. Челпанов 
 
 
 
У91   
Учет теплофизических характеристик противогололедных материалов при зимнем содержании автомобильных дорог : монография / 
[Аржанухина С. П. и др.]. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 
220 с. : ил., табл. 
  
ISBN 978-5-9729-0814-1 
 
Освещены вопросы учета теплофизических характеристик низкотемпературных противогололедных материалов при зимнем содержании автомобильных дорог. Рассмотрены особенности применения технологии смачивания соли 
и абразивных материалов при низких температурах. Даны практические результаты совершенствования технологий и материалов для борьбы с зимней скользкостью. 
Для специалистов, занятых в сфере строительства и проектирования автомобильных дорог. Может быть полезно студентам дорожно-строительных 
специальностей. 
УДК  625.75 
ББК  39.311 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0814-1 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ..................................................................................................................... 6 
ГЛАВА 1. НАУЧНЫЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСОВ ЗИМНЕГО  
СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ................................................................ 
9 
1.1. Анализ зарубежных технологий применения противогололедных  
материалов при зимнем содержании автомобильных дорог ................................ 9 
1.2. Анализ отечественного опыта применения противогололедных  
материалов при зимнем содержании автомобильных дорог 
....................................... 11 
1.3. Проблемы нормативно–методического обеспечения зимнего  
содержания автомобильных дорог ........................................................................ 15 
1.4. Проблемы образования и предупреждения зимней скользкости  
на мостовых сооружениях ...................................................................................... 20 
1.5. Анализ возможностей математического моделирования процесса  
теплового взаимодействия гранулы противогололедного материала  
и снежно-ледяного образования ............................................................................ 22 
1.6. Модель взаимодействия гранулы противогололедного материала  
на поверхности снежно-ледяных отложений ....................................................... 25 
1.7. Возможности применения систем метеообеспечения 
при распределении противогололедных материалов .......................................... 28 
1.8. Выводы по главе 1 
............................................................................................ 30 
 
ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ЗИМНЕГО  
СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА ОСНОВЕ  
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПГМ ...................................................................................... 31 
2.1. Условия и необходимость использования ПГМ при низких  
температурах 
............................................................................................................ 31 
2.2. Выбор противогололедных материалов, применяемых при низких  
температурах 
............................................................................................................ 37 
2.3. Особенности применения чистых гранулированных  
противогололедных материалов на основе хлористого кальция ....................... 52 
2.4. Машины и оборудование для распределения противогололедных  
материалов при зимнем содержании автомобильных дорог .............................. 69 
2.5. Особенности применения технологии смачивания соли и  
абразивных материалов при низких температурах 
.............................................. 73 
2.6. Математическое моделирование с разработкой прямых расчетных  
формул оценки теплофизического взаимодействия тепловыделяющей  
гранулы противогололедного материала и снежно-ледяного  
образования .............................................................................................................. 78 
2.7. Выводы по главе 2 
............................................................................................ 96 
 
ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРЕТИКО-ВЕРОЯТНОСТНОГО ПОДХОДА  
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ И ПАРАМЕТРОВ  
РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ В ЗАДАЧАХ ЗИМНЕГО СОДЕРЖАНИЯ  
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ................................................................................ 97 
3 

3.1. Математическое моделирование вероятности возникновения  
дорожно-транспортных происшествий с учетом вариативности исходных  
компонентов многокомпонентных противогололедных материалов 
................ 97 
3.2. Выводы по главе 3 
.......................................................................................... 101 
 
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ  
ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ  
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД ....................................... 103 
4.1. Разработка ГОСТ 33181-2014 «Дороги автомобильные общего  
пользования. Требования к уровню зимнего содержания» .............................. 103 
4.2. Требования к составу, объему и периодичности выполнения работ  
по содержанию автомобильных дорог 
................................................................ 104 
4.3. Определение рекомендуемой сезонной стратегии использования  
ПГМ в период перехода от фактического уровня финансирования работ  
по содержанию дороги к уровню финансирования по нормативу 
денежных затрат, утвержденному Постановлением Правительства  
от 23.08.08 № 539 .................................................................................................. 106 
4.4. Сведения о расположении производственных баз ПГМ  
по обслуживаемым участкам автомобильной дороги М-18 «Кола»  
от Санкт-Петербурга через Петрозаводск, Мурманск, Печенегу  
до границы с Норвегией ....................................................................................... 109 
4.5. Разработка рекомендаций по выбору месторасположения дорожных  
подразделений, баз ПГМ и их количества 
.......................................................... 110 
4.6. Требования к организации работ по зимнему содержанию  
автомобильной дороги .......................................................................................... 115 
4.7. Разработка программы организации работ по зимнему содержанию  
автомобильной дороги с приложением: технических регламентов,  
технологических схем и карт выполнения работ 
............................................... 119 
4.8. Анализ эффективности производственных баз зимнего содержания  
подрядных организаций «Управления автомобильных дорог  
«Москва-Санкт-Петербург» «Россия» ................................................................ 121 
4.9. Выводы по главе 4 
.......................................................................................... 124 
 
ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ  
ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ  
ДОРОГАХ .............................................................................................................. 125 
5.1. Анализ зарубежных методов экологического мониторинга  
придорожной полосы автомобильной дороги (обзор дорожной  
литературы США и Канады) ................................................................................ 125 
5.2. Специфика оценки экологического риска применения химических  
противогололедных материалов при зимнем содержании  
автомобильных дорог 
............................................................................................ 134 
5.3. Химический анализ образцов почв и снега, отобранных с  
придорожной полосы автомобильных дорог г. Саратова и Энгельса ............. 139 
 
4 

5.4. Вычислительные эксперименты по определению параметров 
линейной регрессионной модели влияния качественных доминирующих  
факторов на распределение противогололедных материалов 
.......................... 149 
5.5. Выводы по главе 5 
.......................................................................................... 157 
 
ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ  
ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ БОРЬБЫ С ЗИМНЕЙ  
СКОЛЬЗКОСТЬЮ 
................................................................................................. 159 
6.1. Руководство по противогололедным работам с применением 
противогололедного материала нового поколения ........................................... 159 
6.2. Алгоритм управления распределением противогололедных  
материалов при зимнем содержании автомобильных дорог на основе  
метеоинформации 
.................................................................................................. 164 
6.3. Сравнительные демонстрационные испытания  
противогололедных материалов на основе чистых хлоридов 
.......................... 168 
6.4. Научное сопровождение разработки и производства материала  
для предварительного смачивания соли ............................................................. 176 
6.5. Выводы по главе 6 
.......................................................................................... 178 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 179 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 
............................................ 181 
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Многокомпонентный противогололедный материал ...... 192 
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Внешний вид основных низкотемпературных ПГМ 
........ 194 
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Комплекс хранения и подготовки противогололедных  
материалов ............................................................................................................. 195 
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Распоряжение Федерального дорожного агентства 
об утверждении отраслевого дорожного методического документа 
............... 202 
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Информационный обзор технических характеристик  
и области применения низкотемпературных противогололедных  
материалов ............................................................................................................. 203 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Применение противогололедных материалов (ПГМ) – одна из составляющих общей концепции зимнего содержания при эксплуатации автомобильных 
дорог. На основе положений технического регулирования совершенствуется 
научно-методическое и нормативное обеспечение содержания дорог, предзимней и зимней организации работ, изучения и учета метеорологических условий 
и закономерностей, характеристик различных типов обледенения (снежноледяных образований – СЛО), методы исследования и анализа процессов удаления льда и снега, определения характеристик оборудования для уборки, организации работ, выполнения требований по охране окружающей среды [1, 63, 
85, 86, 89, 90–92, 100].  
Применение ПГМ направлено на предупреждение или устранение зимней 
скользкости. Однако большинство используемых ПГМ эффективны лишь при 
температурах выше –12 °С. 
В мировой практике в качестве химических ПГМ применяют хлориды, 
нитраты, сульфаты, фосфаты, гликоли, спирты и другие вещества. Не все эти 
средства дают одинаковый эффект, различна их стоимость и неодинакова степень воздействия на окружающую среду. Почти все они вызывают коррозию 
автомобильного транспорта, уменьшение срока службы материала дорожных 
покрытий и искусственных сооружений. В настоящее время дорожном хозяйстве наибольшее распространение в борьбе с гололедом нашли хлористые соединения, в частности, хлористый натрий (NaCl) и хлористый кальций (СаСl2). 
В решении этих вопросов имеется ряд проблем технического и методологического характера. Остается актуальной важная прикладная задача совершенствования технологий применения химических ПГМ с учетом их теплофизических свойств и уровня зимнего содержания автомобильных дорог. Необходимо 
уточнить требования к организации работ по зимнему содержанию автомобильных дорог. 
В настоящее время в Российской Федерации и за рубежом наблюдается 
интенсивное развитие технологий зимнего содержания автомобильных дорог. 
При этом определен основной набор химических противогололедных материалов, нормы их применения минимизируются, совершенствуется дорожная техника, используемая при борьбе со СЛО. 
Изучение явления взаимодействия воды с асфальтобетонным дорожным 
покрытием показало, что лед смерзается с таким покрытием с силой сцепления 
больше прочности самого льда, что исключает возможность его полного удаления механическим путем без повреждения покрытия. Вследствие этого возникают два пути решения проблемы, связанной с обеспечением устойчивого 
функционирования автомобильных дорог [4]: 
− эксплуатация отдельных автомобильных дорог с присутствием по всей 
ширине проезжей части слоя уплотненного снежного покрова (при интенсивности движения до 1500 авт./сут.); 
6 

− предупреждение образования снежного наката или гололеда либо уничтожение СЛО химическими средствами. 
Известны два способа предотвращения снежного наката или гололеда на 
поверхности дороги при помощи химических средств: уменьшение сил смерзания льда с покрытием проезжей части дорог до полного отсутствия сцепления 
СЛО с покрытием; расплавление всего снега или льда, присутствующих на дорожном покрытии. 
При использовании этих противогололедных материалов имеется ряд 
проблем технического и методологического характера. В связи с чем остается 
актуальной задача совершенствования технологий применения химических 
ПГМ с учетом не только плавящей способности химических ПГМ, но и их теплофизических характеристик и уровня зимнего содержания автомобильных дорог. Необходимо уточнить требования к организации работ по зимнему содержанию автомобильных дорог. 
Задачами зимнего содержания автомобильных дорог занимались в Федеральном дорожном агентстве, Московском автомобильно-дорожном государственном 
техническом 
университете 
(МАДИ), 
ФАУ 
«РОСДОРНИИ»,  
ОАО «ГИПРОДОРНИИ», ОАО «СОЮЗДОРНИИ», СГТУ им. Гагарина Ю. А., 
СПбГАСУ, ООО «Зиракс» и других организациях. Этим вопросам большое внимание уделяли Б. Б. Анохин, С. П. Аржанухина, Н. В. Борисюк, С. А. Беляков, 
А. П. Васильев, Б. М. Волынский, Б. А. Дмитревский, И. Е. Евгеньев, Б. Б. Каримов, 
А. К. Киялбаев, 
Ю. В. Кузнецов, 
К. Д. Максименко, 
С. Ю. Мизитов, 
М. В. Немчинов, И. Г. Овчинников, П. И. Поспелов, В. П. Подольский, В. П. Радов, Ю. Н. Розов, Т. В. Самодурова, В. В. Чванов, В. В. Ушаков, Д. М. Хомяков и 
другие ученые.  
Исследования вопросов зимнего содержания проводились в США, Канаде, Финляндии, Франции, Швеции и в других странах и касались самых разных 
аспектов зимнего содержания автомобильных дорог, в том числе эффективности применения химических ПГМ. 
Между тем остались малоизученными вопросы математического, вычислительного и натурного моделирования и практического исследования теплофизических процессов взаимодействия ПГМ и СЛО с применением современных средств научных исследований, в том числе с использованием тепловизорных средств измерения температурного поля ПГМ и СЛО. 
Цель исследований: повышение эффективности технологий применения 
ПГМ на основе учета их теплофизических характеристик и уровня зимнего содержания при эксплуатации автомобильных дорог. 
Задачи исследования: 
1. Провести сравнительный анализ существующей зарубежной и отечественной нормативно-технической базы в области зимнего содержания (эксплуатации) автомобильных дорог на основе химических ПГМ, а также аналитический обзор результатов ранее проведенных исследований. 
7 

2. Проанализировать характеристики применяемых химических ПГМ. 
Разработать новую классификацию ПГМ по ряду независимых признаков, применяемых в температурном диапазоне от –12 °С и ниже. 
3.  Выявить основные особенности технологии применения гранулированных ПГМ на основе хлористого кальция в температурном диапазоне от 
–12 °С и ниже. Уточнить фазовые состояния механизма взаимодействия тепловыделяющего ПГМ со СЛО. 
4. Для решения задач математического моделирования теплофизического 
взаимодействия гранулы ПГМ и СЛО применить методы технологической теплофизики, в частности метод точечных источников теплоты. На основе особенности современных ПГМ выделять тепловую энергию при соединении с водой 
провести математическое моделирование этого процесса, как точечного источника теплоты. Получить конечное решение в виде аналитической формулы и 
провести расчет распределения температурного поля в СЛО в пространстве и 
времени. 
5. Сформулировать новые предложения по повышению эффективности 
распределения и однородности состава в технологии применения ПГМ на основе хлоридов натрия и кальция, обоснованные математическим моделированием 
влияния доминирующих воздействий (опасностей и причиняемого вреда, уровнем зимнего содержания). Оценить риск возникновения ДТП по причине вариативности долей компонентов ПГМ. 
6. В соответствии с разработанными требованиями для ПГМ определить 
требования для проектирования автоматизированных баз хранения и приготовления ПГМ. 
Теоретическая значимость работы определяется совершенствованием методов исследования процессов теплового взаимодействия гранулы ПГМ и СЛО 
на основе теоретических положений технологической теплофизики (интегрирования уравнений для точечного источника теплоты) и учета полученных результатов в технологии применения ПГМ на основе хлоридов натрия и кальция 
при эксплуатации автомобильных дорог в зимний период. 
Результаты исследований были использованы при разработке межгосударственного стандарта ГОСТ 33181-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Требования к уровню зимнего содержания», ОДМ 218.02.061-2015 Рекомендации по определению теплофизических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов, проекта ОДМ Методические рекомендации по применению 
чистых низкотемпературных противогололедных материалов для зимнего содержания автомобильных дорог. Определен перечень рекомендуемых организационных и инженерно-технических мероприятий по введению автоматизированных пунктов хранения и приготовления ПГМ.  
 
 
 
 
 
 
8 

ГЛАВА 1 
 
НАУЧНЫЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСОВ  
ЗИМНЕГО СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ 
 
1.1. Анализ зарубежных технологий применения  
противогололедных материалов при зимнем содержании  
автомобильных дорог 
 
Список использованных источников, включающий нормативно-методическую, техническую литературу, электронные ресурсы и объекты патентного 
права, достаточно полно отражен в перечне [1–180].  
Коллегия Евразийской экономической комиссии 13 июня 2012 г. своим 
решением № 81 утвердила Программу по разработке межгосударственных 
стандартов, в результате применения которых на добровольной основе должно 
обеспечиваться соблюдение требований технического регламента Таможенного 
союза «Безопасность автомобильных дорог» (ТР ТС 014/2011) [146].  
Содержание автомобильных дорог в государствах-участниках Таможенного союза в настоящее время осуществляется по национальным нормативнотехническим документам, в которых рассматриваются вопросы содержания с 
учетом региональных условий каждого государства (Беларусь, Казахстан и Россия).  
Разные финансовые возможности и разные подходы к реализации требований при содержании автомобильных дорог за последние 20 лет независимого 
развития Российской Федерации, Республики Беларусь Республики Казахстан, 
создали не простые условия для разработки и согласования отдельных положений и требований разрабатываемых стандартов на летнее и зимнее содержание 
автомобильных дорог для государств – участников Таможенного Союза.  
Для облегчения использования новых стандартов по приведению требований по содержанию автомобильных дорог для государств-участников Таможенного Соглашения, допускается устанавливать сроки устранения дефектов 
определенных вышеназванными стандартами по национальным документам.  
Разработанные стандарты допускают определять требования к содержанию либо по уровням содержания, как это в настоящие время происходит в 
Республике Беларусь, либо по категориям дорог, как это происходит в Российской Федерации.  
В рамках доказательной базы ТР ТС 014/2011 разработаны ГОСТ 333872015 «Дороги автомобильные общего пользования. Противогололедные материалы. Технические требования», ГОСТ 33389-2015 «Дороги автомобильные 
общего пользования. Противогололедные материалы. Методы испытаний». 
Предметом стандартизации являются ПГМ, используемые для борьбы с зимней 
скользкостью на автомобильных дорогах общего пользования [39, 40].  
9 

Технико-экономическая и социальная эффективность разработки межгосударственных стандартов обусловлена необходимостью повышения безопасности дорожного движения и созданием единых современных требований к 
ПГМ, применяемых на сети автомобильных дорог государств-членов Содружества.  
Технические требования к ПГМ и методы испытаний базируются в государствах-участниках Таможенного союза на действующих нормативнотехнических документах: ГОСТ Р 50597-93, СТБ 1158-2008, СТБ 1291-2007, 
ОДН 218.2.027-2003, РД 0219.1.18-2000, ПР РК 218-64-2007 [38, 117–119, 129, 
130].  
Основное преимущество СТБ 1158-99 – это комплексность подхода, заключающая в себе не только технические, но и организационные, административные и методические требования. 
В РД регламентируются не только параметры производственного процесса ликвидации гололеда, но устанавливаются требования к содержанию сооружений, также приводятся статистические данные по учету климатического и 
метеорологического факторов (табл. 11 и 12, 20, 21), особенностей рельефа 
(табл. 13).  
В СТБ 1158-2008 определены составы смесей, утвержденные Министерством природы и охраны окружающей среды Республики Беларусь, при этом защитный эффект против коррозии металла учитывается как элемент технических 
требований к ПГМ (табл. 1), регламентируется процедура приемки (раздел 7), 
транспортирование и хранение (раздел 9).  
Также известен стандарт СТБ EN 12697-41-2011, определяющий устойчивость битумных смесей к воздействию противогололедных жидкостей [130]. 
Следует отметить Технический регламент Республики Казахстан «Требования к безопасности дорожно-строительных материалов». 
Согласно нему на этапах жизненного цикла дорожно-строительных материалов должны учитываться условия, направленные на устранение или снижение риска возникновения опасности для человека и окружающей среды в результате неблагоприятного воздействия одного из материалов или их смесей 
[147]. 
Известны стандарт Министерства регионального развития, строительства 
и жилищно-коммунального хозяйства Украины СОУ-Н ЖГХ 04.10-019:2012 
«Использование редкого противогололедного реагента на основе хлористого 
кальция для зимнего содержания улично-дорожной сети в населенных пунктах» 
и СОУ (стандарт организации Украины) 45.2-00018112-037:2009. «Материалы 
противогололедные». 
Согласно СОУ 45.2-00018112-037:2009 сырьем для получения хлористого 
кальция технического жидкого в объеме до 100 тысяч т в год является упаренный в испарительном бассейне (1200 га) раствор хлористого кальция с его массовой долей 24–30 %. Полученные растворы практически по всем показателям 
соответствуют техническим требованиям к составу жидкого ПГМ [131, 132]. 
10