ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
И СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

К основным видам процессов взаимодействия противогололедных материалов (ПГМ) и снежно-ледяных отложений (СЛО) следует отнести одинарные  процессы растопления-растворения СЛО сверху вниз теплопоглощающими ПГМ, начиная с поверхности СЛО до дорожного покрытия, и фазовые процессы теплого инъектирования тепловыделящими ПГМ и последующего разрушения сцепления СЛО и дорожного покрытия. К первому виду относится применение хлористого магния (шестиводного) и простых многокомпонентных смесей хлоридов. Особенностью хлорида магния является его применение в состоянии шестиводного кристаллогидрата.Сравнительные демонстрационные испытания хлорида магния (рис.1) подтвердили его отличительную особенность – поверхностное плавление СЛО. При этом ПГМ начинает работу практически мгновенно, уже имея воду в своем составе. Далее осуществляется объемное плавление всего слоя СЛО. Поэтому применение этого ПГМ эффективно для антиобледенительной обработки дорожных покрытий, а также при образовании тонкой пленки гололеда.
Хлорид кальция CaCl2 может быть безводным, а также в виде кристаллогидратов, а именно – двух-, четырех- и шестиводным. Фотографии безводного хлорида кальция и ПГМ на его основе представлены на рис. 2 и 3.

Достоинством данных ПГМ является эффект тепловыделения при кристаллогидратации с выделением тепла гранулой и проникновение ее через СЛО непосредственно до поверхности дорожного покрытия подобно тепловому сверлу-инъектору.
Поиск эффективных ПГМ следует вести по пути создания устойчивых к сегрегации хлоридных смесей и составов, обеспечивающих безопасность дорожного движения при минимальном воздействии на природную среду. Когда хлориды кальция и натрия применяют для борьбы со снегом и льдом совместно, как сложный компактированный (композитный) гранулированный состав, они дополняют друг друга (синергетический эффект). При сложном смешении хлорид кальция, растворяющийся в поглощенной из воздуха влаге, абсорбирует влагу из внешней среды, в результате реакции выделяется тепло. Наличие влаги и тепла увеличивает скорость растворения хлорида натрия. Простое механическое смешение хлоридов натрия и кальция не обеспечит достаточной эффективности из-за неравномерности распределения солей по объему смеси. Неоднородность гранулометрического состава приводит к сегрегации. Достигнуть равномерного распределения солей по объему можно лишь при условии, что кумулятивный процент содержания одинаковых фракций или основное размерное число гранул и кристаллов не будет отличаться более чем на 20 % относительных значений. Поэтому только компактирование, а не простое смешивание компонентов способно обеспечить требуемый эффект.
Технология производства компактированного ПГМ Айсмелт (ХКНМ), освоенная на ООО «Зиракс», отвечающая современным требованиям, позволяет получить однородный по всему объему гранулированный состав из химически чистых хлоридов кальция и натрия.
Айсмелт является многокомпонентным ПГМ на основе безводного хлорида кальция и хлорида натрия с содержанием безводного хлорида кальция 20-25% и хлористого натрия 75-80%, в виде гранул, однородных по своему химическому составу, с ингибиторами коррозии, рекомендуется к применению при зимнем содержании дорожных покрытий федеральных, территориальных и городских автомобильных дорог.
При его производстве используется хлорид натрия (в том числе баскунчакского месторождения) и безводный хлорид кальция собственного производства. Компактирование производится методом прессования с после-дующим дроблением и пропуском через сита с ячейками заданного размера. Айсмелт понижает температуру замерзания воды и работает при температуре до -20оС; благодаря экзотермическому процессу растворения хлорида кальция увеличивается скорость растворения хлорида натрия и таяния СЛО.
ПГМ Айсмелт, как и безводный хлорид кальция, совмещает транспортную функцию (доставка гранулы до границы СЛО-дорожное покрытие) с техно-логической (расплавление и разрушение снежно-ледяного отложения). Свойства нового ПГМ в отличие от простого механического смешивания хлоридов натрия и кальция могут быть представлены в виде модели «теплового сверла», в которой зерна безводного хлорида кальция, содержащиеся в грануле, отвечают за активное «лезвийное» резание СЛО (функция образующей), а зерна хлорида натрия – за объемное фазовое преобразование СЛО в раствор (функция направляющей). Причем сразу после распределения ПГМ обеспечивается требуемый коэффициент сцепления.
Поскольку требуемый расход Айсмелт на единицу площади меньше, чем у других ПГМ, то становится меньше и оказываемое воздействие на окружающую среду. Рекомендованная норма их расхода, как правило, не более 50% по сравнению с нормами расхода ПГМ, выпускаемых другими производителями. Гранулы Айсмелт быстрее проникают в лед, чем другие ПГМ, и обеспечивают эффективное плавление на границе «лед-поверхность дорожного покрытия». При этом каждая частица в твердом состоянии кристаллогидрата достигает дорожного покрытия и затем начинает растворяться, создавая линзу раствора, устраняющую адгезионные связи между дорожным покрытием и СЛО. При этом кристаллогидрат работает в более теплых слоях СЛО, не контактируя с более холодным воздухом.
Требуемый расход определяется температурой воздуха и видом применяемого ПГМ. Сравнение расхода распределения Айсмелт и других ПГМ приведена в табл. 1.
Независимыми специалистами также подтверждена эффективность применения Айсмелт как ПГМ с минимальным требуемым расходом.

Поэтому на практике хлорид натрия рационально использовать при температуре воздуха до -10°С, хлорид кальция - до -34°С, компактированный гранулированный ПГМ на основе хлорида кальция и натрия до -20°С, хлорид магния до -18°С, хлорид калия до -4°С.
Для повышения эффективности таяния льда и снега, снижения расхода солей, улучшения физико-механических свойств ПГМ (слеживаемость, гигроскопичность) создаются компактированные составы этих чистых солей. Состав из CaCl2 и NaCl проникает в слой льда за 2 часа в диапазоне отрицательных температур до -33,5°С значительно глубже, чем каждый из этих двух ПГМ в отдельности.
Этим самым в широком диапазоне отрицательных температур достигается совместный эффект, позволяющий повысить эффективность применения ПГМ при борьбе с зимней скользкостью и существенно снизить негативное воздействие на окружающую среду. Уменьшение в разы доли хлорида кальция снимают возражения о значительном увеличении вязкости раствора и негативном снижении коэффициента сцепления. Использование CaCl2 для борьбы с зимней скользкостью проводится при температуре до -34°С. Создание оптимальных компактированных составов хлоридов натрия и кальция позволяет применять ПГМ при более низких температурах, чем хлористый натрий. Понятно, что NaCl в смеси с CaCl2 будет растворяться быстрее, повысится его плавящая способность.
Установлено, что растворение CaCl2 происходит значительно быстрее, чем растворение NaCl. Причина в том, что CaCl2 одновременно гигроскопичен и быстро растворим в поглощаемой из воздуха влаге (CaCl2 при температуре воздуха от 0°С до -9°С абсорбирует влагу уже при относительной влажности воздуха 42 % и выше, в то время как NaCl начинает абсорбировать влагу только при относительной влажности 76 % и выше). CaCl2 в твердом состоянии абсор-бирует влагу в твердом состоянии кристаллогидрата до тех пор, пока не растворится, а уже в состоянии раствора будет продолжать абсорбировать влагу до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между упругостью паров раствора и упругостью паров воздуха.
Во время растворения CaCl2 выделяется большое количество тепла, при этом идет процесс образования гидратов (гидратация). Молекула CaCl2 присоединяет 6 молекул воды с образованием кристаллогидрата CaCl26H2O. Теплота гидратации CaCl2 равна 21,7 ккал. При растворении хлорида кальция выделяется большое количество теплоты (при растворении 111 г хлорида кальция в 72000 г воды выделяется 17 990 кал теплоты, а при растворении хлорида натрия 2400 кал теплоты поглощается.
Айсмелт применяется в Москве с 2004 по 2010 гг. от 15 до 20 и более тысяч тонн ежегодно. Размерно-механические и физико-химические параметры материала обеспечивают возможность равномерного распределения его гранул на дорожном покрытии с минимальными потерями. Важным преимуществом Айсмелт является предельно низкая степень его коррозионной активности. Скорость погружной коррозии образцов из стали 3 в 5%-ом растворе составляет 0,056 г/м2час, а скорость атмосферной коррозии – до 0,27 мм/год. Что убедительно выглядит в сравнении с водой – соответственно 0,116 г/м2час и 0,264 мм/год, и с нормативами ОДН «Требования к противогололедным материалам» – 0,4 мм/год. По данным Руководства Американского института бетона (ACI) по долговечности бетона хлористый кальций имеет ничтожный эффект воздействия на бетон в то время как хлористый магний вызывает слабое повреждение бетонных поверхностей. 
С.П.Аржанухина, к.т.н., главный специалист ФГУП «РОСДОРНИИ»