автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка проблемно-ориентированных CALS-систем компьютерного менеджмента качества для химических противогололедных материалов и дорожных пропиток
Автореферат диссертации по теме "Разработка проблемно-ориентированных CALS-систем компьютерного менеджмента качества для химических противогололедных материалов и дорожных пропиток"
11а правах рукописи
ГЛУШКО Андрей Николаевич
РАЗРАБОТКА ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ САЬБ-СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДОРОЖНЫХ ПРОПИТОК
05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология, нефтехимия и биотехнология)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москв\|- 2013
Работа выполнена в Учебно-научном центре «САЬБ-химия» Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Бессарабов
Аркадий Маркович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Разяпов
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАИК)
Защита состоится « 22 » октября 2013 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 217.034.01 при ФГУП «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (107076, г. Москва, ул. Богородский вал, д. 3, конференц-зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ИРЕА».
Автореферат разослан " 20 " сентября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 217.034.01, кандидат технических наук
Анвар Закирович
(ФГУП «ИРЕА», заведующий отделом)
доктор технических наук, профессор Баранов
Дмитрий Анатольевич
(ФГБОУ ВПО «МАМИ», заведующий кафедрой)
Жданович О.А.
'г,ï<hkka
" 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
Непрерывный рост автомобильного парка, увеличение объема грузооборота и перевозок пассажиров предъявляют все более жесткие требования к содержанию автомобильных дорог и улиц, а также обеспечению безопасности движения по ним. Решение этих проблем связано с двумя комплексами задач: борьба с зимней скользкостью с применением противогололедных реагентов (ПГР) и поддержание дорожных покрытий в оптимальном состоянии с помощью специализированных пропиток, предотвращающих старение и износ дорожного полотна. Для практической реализации этих задач необходимо разработать соответствующие проблемно-ориентированные системы компьютерного менеджмента качества, позволяющие на высоком уровне проводить аналитические исследования в области создания и использования продуктов дорожной химии.
Основные разделы диссертации выполнялись при поддержке Государственного контракта Минобрнауки России, контрактов и договоров Департамента ЖКХ и благоустройства и Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы.
Степень разработанности темы исследования рассматривается нами по трем направлениям: исследование продуктов дорожной химии; аналитический и экологический мониторинг; проблемно-ориентированные CALS-технологии.
Основные теоретические и практические исследования продуктов дорожной химии отражены в трудах следующих отечественных ученых: Борисюк Н.В., Николаева Л.Ф., Орлов Ю.Н., Печорский М.А., Подольский В.Л., Поздня-ева JI.B., Розов Ю.Н., Самодурова Т.В., Швагирева O.A. и др.
Вопросами аналитического и экологического мониторинга занимались такие ученые, как Аллахвердов Г.Р., Булатицкий К.К., Золотое Ю.А., Карпов Ю.А., Красильщик В.З., Малинников В.А., Помазанов В.В., Разяпов А.З. и др.
Разработка и внедрение информационных CALS-технологий в России проводится практически только в оборонной промышленности и отражено в публикациях следующих специалистов: Дмитров В.И., Кабанов А.Г., Овсянников М.В., Судов Е.В., Шильников П.С. и др. В химической промышленности исследования по CALS-технологиям связаны с именами работников ФГУП «ИРЕА»: Афанасьев А.Н., Бессарабов A.M., Демьянюк А.Ю., Жданович O.A., Заколоди-на Т.В., Пономаренко А.Н.
Цель работы состоит в разработке на основе информационного CALS-стандарта ISO-10303 STEP проблемно-ориентированных систем компьютерного менеджмента качества противогололедных реагентов и пропиточных составов для дорожных покрытий. Основными задачами, решаемыми в работе, являются системные исследования и разработка на основе концепции CALS трех взаимосвязанных систем компьютерного менеджмента качества (КМК-системы):
• аналитический мониторинг химических противогололедных реагентов;
• экологический мониторинг влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды;
• аналитический мониторинг пропиточных составов для дорожных покрытий.
Научная новизна.
Выявлена и впервые систематизирована многофакторная зависимость качества автодорожной инфраструктуры. Показаны место и роль материалов-продуктов дорожной химии в разработанной иерархической системе.
Впервые совместно рассмотрена многоуровневая структура аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток для использования на поверхности асфальтобетонного покрытия в зимнее и летнее время. Системные исследования позволили выделить кластерную архитектуру показателей качества рассматриваемых продуктов дорожной химии и разработать типовую структуру взаимосвязи каждого показателя с соответствующими методами аналитического контроля и аналитическим оборудованием.
Разработана архитектура информационной системы для компьютерного менеджмента качества химических противогололедных реагентов в следующих информационных сечениях: химический состав; показатели качества; методы анализа; аналитическое оборудование. Разработана структура 18 показателей качества по 4-м информационным кластерам: органолептические, физико-химические, технологические и экологические.
Для важнейшего технологического индикатора «плавящая способность» разработана новая методика, позволяющая получать дифференцированно из кривых замерзания более точные характеристики. По новой методике для основного ассортимента ПГР проведены экспериментальные исследования и моделирование плавящей способности ПГР в диапазоне от 0 до -30°С. Показана невозможность применения данного ассортимента при температурах ниже -20°С.
Проведена разработка нового формиатного ПГР, в ходе которой создана и реализована в КМК-системе аналитическая методика количественного анализа формиатов с относительной суммарной погрешностью результата анализа, соответствующей высокоточным характеристикам титриметрических методов (защищена патентом). Из общего физико-химического анализа депрессии температуры замерзания растворов доказана эквивалентность полноценной замены компонентов хлорида натрия на формиат натрия.
Разработана архитектура системы экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на следующие компоненты окружающей среды: снежный покров, водные объекты и грунтовые воды; почвенный покров; зеленые насаждения; атмосферный воздух. Для рассматриваемых экологических компонент введена типовая структура ПГР, для каждого из которых в архитектуру системы введены 6 важнейших индикаторов качества, характеризующих степень воздействия конкретного ПГР на выбранный объект окружающей среды. По всем индикаторам качества предложены соответствующие методы анализа и аналитическое оборудование.
Для компьютерного менеджмента качества дорожных пропиток разработана архитектура информационной системы по двум целевым классам: восстанавливающие и защитные. Для каждого класса пропиток выделены две основные подкатегории: «битумные, нефтяные масла» и «битумные, полимерные». По каждой подкатегории сгруппированы пропитки соответствующих химиче-
ских составов, каждый из которых характеризуется совокупностью показателей качества. Проведена группировка 32 показателей качества по предложенным нами 6 информационным кластерам: органолептические; физико-химические; физико-механические; технологические; экологические и эксплуатационные. По каждому показателю в архитектуру системы введены наиболее перспективный метод анализа и аналитическое оборудование. На основании проведенного многокритериального анализа эффективности дорожных пропиток разработан новый состав на основе модифицированного битума.
Теоретическая значимость.
Предложенные в работе теоретические обобщения дадут возможность оптимизировать расход продуктов дорожной химии и сократить вредную нагрузку на окружающую среду.
Заложенные в ходе разработки методологические основы позволят создать проблемно-ориентированные КМК-системы для других классов материалов (пестициды и инсектофунгициды в агрохимии, антиобледенительные жидкости в авиации и др.).
Разработанные КМК-системы повышают уровень работы аналитических подразделений (оперативность исследований, исключение «человеческого фактора» и др.) и являются важным элементом лабораторных 1ЛМ5-систем.
Теоретические подходы аналитического и экологического мониторинга противогололедных реагентов и дорожных пропиток могут быть использованы при обучении студентов автодорожной и экологической специализаций.
Практическая значимость.
Результаты системного анализа использованы при разработке на базе информационных САЬБ-технологий трех программных комплексов компьютерного менеджмента качества: аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов; экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды; аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий. КМК-системы внедрены в Аналитическом испытательном центре и Центре коллективного пользования научным оборудованием ФГУП «ИРЕА». Практическая значимость проведенных системных исследований подтверждена патентом № 2478203 от 27.03.2013 «Способ определения содержания формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах».
Программные модули КМК-систем аналитического мониторинга вошли в Государственный контракт Минобрнауки России ГК 16.552.11.7010 «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области разработки новых методов контроля качества...»;
Полученные по экологическому мониторингу результаты вошли в 2 договора Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы № 125-11 от 30.05.2011 и № 151-12 от 25.07.2012 «Выполнение работ по экспертно-методическому сопровождению работ по ведению мониторинга воздействия противогололедных реагентов на состояние природных сред».
По разработанным инновационному составу дорожной пропиточной ком-
позиции и технологии ее применения подана заявка на патент «Способ обработки дорожных асфальтобетонных покрытий» № 2012153391 от 11.12.2012 г.
Для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы были проведены комплексы системных теоретических и экспериментальных исследований по 14 договорам на НИР и 51 Государственным контрактам «Проведение испытаний противогололедных реагентов на соответствие техническим требованиям по условиям поставки».
Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют следующие комплексы работ:
• для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы проведены системные аналитические исследования противогололедных реагентов и дорожных пропиток;
• Российскому союзу химиков предложены методические основы формирования ассортимента противогололедных реагентов и дорожных пропиток, позволяющие загрузить основные производственные фонды предприятий химической и нефтехимической промышленности;
• разработаны новые составы жидкого и твердого противогололедных реагентов для постановки на производство ООО «Новомосковский ХЛОР» (в составе ОАО «Минерально-химическая компания ЕвроХим»).
Методология и методы исследования.
В работе использована методология системного анализа и компьютерного менеджмента качества. При разработке программных комплексов применялось проблемно-ориентированное программирование на основе САЬЗ-технологий. Определение показателей качества, заносимых в КМК-систему, проводилось современными аналитическими методами.
Положения выносимые на защиту.
1. Разработанная методология системного анализа качества автодорожной инфраструктуры.
2. Разработанная КМК-система аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов.
3. Разработанная КМК-система экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды.
4. Разработанная КМК-система аналитического мониторинга пропиточных составов для дорожных покрытий.
Личный вклад автора.
Проведены системные исследования аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток. Разработана структура, алгоритмическое и программное обеспечение систем компьютерного менеджмента качества противогололедных реагентов и дорожных пропиток, а также экологического воздействия противогололедных реагентов на окружающую среду. Проведены работы по созданию новых продуктов дорожной химии и внедрению результатов диссертации в производство.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность научных и практических результатов, сформулированных в диссертации, обусловлена использованием высокоточных исходных данных, наиболее современной системой компьютерной поддержки (CALS-технология) а также практической реализацией результатов работы.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в журналах Вестник Казанского технологического университета, Вестник Саратовского государственного технического университета, Известия МГТУ «МАМИ», Наукоемкие технологии, Энциклопедия инженера-химика, сборнике научных трудов «Успехи в химии и химической технологии», а также докладывались и обсуждались на X Международной научно-практической конференции «Партнерство бизнеса и образования в инновационном развитии региона», (Тверь,
2011), XXV и XXVI Международных научно-технических конференциях «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2011; РЕАКТИВ-2012), (Уфа, 2011; Минск, 2012), Международной научно-техничес-кой конференции «Наукоемкие химические технологии-2012», (Тула,
2012), XXV Международной научной конференции «Математические методы в техни-ке и технологиях» (ММТТ-25), (Волгоград, 2012), Шестой международной кон-ференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2012), (Москва, 2012), VIII Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT-2012-MKXT», (Москва, 2012), XII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела», (Уфа, 2012); 13-th European Meeting on Environmental Chemistry (EMEC13), (Moscow, 2012).
Публикация результатов исследования.
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 6 статей (4 в журналах, рекомендуемых ВАК), 8 тезисов докладов на международных конференциях и получены 2 патента на изобретение. Обший объем опубликованных работ - 4,3 печатных листа.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (129 наименований) и приложения, включающего акты внедрения результатов работы. Диссертация изложена на 149 страницах, включая 36 рисунков и 17 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Автомобильные дороги ввиду своего преобладания среди других подотраслей транспорта РФ играют особую роль в решении важных политических и экономических задач, стоящих перед страной в настоящее время. Было показано, что в сравнении с другими видами транспорта (воздушный, водный, железнодорожный) автомобильный транспорт во много раз превосходит их по всем важнейшим показателям (перевозка грузов, перевозка пассажиров, протяженность путей сообщения и др.). Однако качество автодорожной инфраструктуры в РФ (quality of roads, по семибалльной шкале) в настоящее время в сравнении с
другими странами мира имеет низкую экспертную оценку - 2,3 балла (136 место). Для сравнительного анализа дорожного хозяйства и определения значимости наших работ был проведен комплекс системных исследований.
Глава 1. Разработка методологии системного анализа автодорожной инфраструктуры.
На первом этапе разработки иерархической структуры системного анализа (рис. 1) было показано, что на выбор технологии содержания автодорог и, в конечном счете, на результат - качество автодорог, влияние оказывают четыре основных фактора: природно-климатические условия; состояние автодорог; уровень технологической культуры; интенсивность транспортной нагрузки.
Качество автодорожной инфраструктуры (quality of roads)
Природио-к^има-тические условия
Характеристики воздушных масс
Характеристики осадкой
Уровень солнечной инсоляции
Состояние аитодоро)
Бозмижпосш дорожной сети
Качество дорожного полотнн
Уровень штили 1а циоп ной культуры
Уровень технологической культуры
Полно, уборка» ремонт автодорог
Обработка пропиточными состипами
Обработка ПГМ
Обработка фрикционными материалами
Обработка химическими материалами
Интенсивность транспортной нагрузки
Объемы лсрсвоюк
Темпы роста автопарка
Темпы роста автодорог
Обработка комбинированными материалами
Нормативная Gaia
Потенциал дорожной техники
Кадровый потенциал
Материалы дорожной химии
Рис. 1. Системный анализ качества автодорожной инфраструктуры.
По четырем показателям верхнего уровня проведен сравнительный анализ со странами, представляющими интерес в области эксплуатации автодорог (США, Канада, Великобритания, ФРГ, Финляндия, КНР), и показано, что по указанным факторам Россия в полном объеме не совпадает ни с одной страной. Отсюда вытекает невозможность использования зарубежного опыта, а только отдельных его фрагментов.
Основное значения для нас представляют такие показатели уровня технологической культуры, как обработка автодорог противогололедными реагентами и пропиточными составами. В эти технологические операции на 3-м уровне иерархии входит один важнейших показателей - «материалы», являющийся основным объектом наших исследований. Так как они представляют собой сложные химические композиции, то ключевое значение имеют их показатели качества, которые определяются в ходе испытаний образцов материалов, проводимых в аналитической лаборатории. Большое значение при этом имеет объективность испы-
таний и независимость от «человеческого фактора». Это возможно при автоматизации процедуры испытаний, в основе которой должна быть систематизация продуктов дорожной химии, показателей качества, методик измерений и аналитического оборудования. Кроме того, систематизация химических ПГР и дорожных пропиток позволит решать задачи по совершенствованию методик измерения и улучшению свойств самих продуктов, что даст возможность изобретать новые материалы с заранее заданными свойствами.
В работе впервые совместно рассмотрена иерархическая структура аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток для использования на поверхности автодорог в зимнее и летнее время. Системные исследования позволили выделить многоуровневую кластерную архитектуру показателей качества рассматриваемых продуктов дорожной химии и разработать типовую структуру взаимосвязи каждого показателя с соответствующими методами аналитического контроля и аналитическим оборудованием.
Для эффективной эксплуатации автодорожной инфраструктуры были разработаны 3 взаимосвязанных информационных комплекса: система компьютерного менеджмента качества (КМК-система) химических противогололедных реагентов (ПГР), система экологического мониторинга ПГР и КМК-система пропиточных составов для дорожных покрытий. Разработка проводилась по информационному стандарту ISCM0303 STEP на основе наиболее перспективной системы компьютерной поддержки: CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life-cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта).
Глава 2. Системный анализ и выбор химических противогололедных реагентов на основе концепции CALS.
Выбор конкретных мероприятий по борьбе с зимней скользкостью автомобильных дорог и улиц производится в зависимости от действия метеорологического фактора, на ликвидацию которого это мероприятие рассчитано. Установлено, что использование химических противогололедных реагентов снижает затраты на зимнее содержание автомобильных дорог, предотвращает разрушение покрытий и повышает безопасность дорожного движения.
Для автоматизации процедуры аналитического мониторинга химических ПГР во ФГУП «ИРЕА» по Госконтрактам с Департаментом ЖКХ и благоустройства г. Москвы разработана на основе концепции CALS система компьютерного менеджмента качества (КМК-система). Рассматриваемые ПГР сгруппированы по химическим составам, которые представляют следующие 4 основные подкатегории (рис. 2): хлориды (хлориды кальция, натрия, магния и ПГР на их основе); ацетаты (ацетаты аммония, калия, кальция и ПГР на их основе); карбамиды (мочевина, карбамидно-аммиачная селитра и ПГР на их основе); нитраты (нитраты кальция, магния и ПГР на их основе). Кроме того конкретные химические ПГР разделены на 2 подкатегории по фазовому составу: твердые и жидкие.
Каждый из занесенных в КМК-систему химических ПГР, 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 ПГР - 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 ПГР для обработки дорожных покрытий и ПДК._
химически* ПГР - Р5Ц
в
Файл дэавка ЕЫд Настройки ?
|| Катетер* Е КМКхигичеоихПГР В & 1. Хлориды
- у 1.1, Хлориды кальция 3 £ ХКМ жидкость (+. К ХКН жидкость ♦ Н ХК"Н твердью Е Щ ХКФ твердый
5 ■ 1. Органолептичеосие показатели
6 6 2. Фиэжо-хжткие показатели (♦ К 3. Технологические показатели Ё д 4 . Экологические показатели
- || 4.1.Коррозиожаяакт>вностьнаиеталл е-Ь 4.1.1. Стад.
- £ 4.2. Псжюатегъ <гр«с«нхо гадАтв 3 ^ 4.2.1. Цементобетон
* Ь 4,3. Удегьиая эффективная актюностъ Й Ц ■♦.4, Долуст^юе содержание хинн-ескю 1 || 1.2, Хлориды натрия
№ » п Наименование Состав Нормы Агрессивность к
стали бетону
1 ХКМ жидкость раствор хлористого калыда модифицированный. 32% 40-110 мл м* + +
2 Антиснсг-1 жидкость раствор ацетата аммония, 30 % 20-45 мл/м- - +
3 Нордикс-П жидкость раствор амстата калия. 30 % 20 -45 г/м3 - +
4 ХКФ твердь»! хлористый кальдой, ингибированньй фосфатами 20-70 г/и2 + +
5 Биомаг тпердып хлористый магний мо диф» а» ф оп аннып 30-80 г/и3 + +
»[¡¡Зз «Ч
). 1 Разд 1
На 8,5си Ст 14 Коп 1
Рис. 2. Элемент КМК-системы ПГР. Экологические показатели: агрессивность ПГР к стали и бетону (а - таблица показателей).
В базы данных созданного нами СЛЬБ-проекта КМК-системы (рис. 2) занесены индикаторы качества противогололедных реагентов, применяемых на автодорогах г. Москвы в соответствии с положениями Регламента и Технологических карт комплексного содержания объектов дорожного хозяйства г. Москвы в зимний период, а также Технологии зимней уборки проезжей части магистралей, улиц, проездов и площадей (объектов дорожного хозяйства г. Москвы) с применением противогололедных реагентов, утвержденных Департаментом ЖКХ и благоустройства г. Москвы. Проведенные нами по этим индикаторам испытания показали, что жидкие противогололедные реагенты в силу однородности своего состава, как правило, удовлетворяют предъявляемым требованиям, в то время как характеристики твердых образцов химических ПГР не всегда соответствуют нормам.
Рассматриваемый для объектов дорожного хозяйства г. Москвы ассорти-
мент введен в КМК-систему и включает в себя противогололедные реагенты марок (композиций основных действующих веществ на основе хлоридов и ацетатов): «ХКНж», «ХКНтв» (хлориды кальция и натрия в растворе и в твердой форме); «МРтв», «МРКтв» (хлориды кальция, натрия, калия и формиат натрия в разных пропорциях); «КР2тв», «КРЗтв» (хлорид натрия и формиат натрия в разных пропорциях в смеси с карбонатом кальция (фрикционной частью-мраморной крошкой)); «ХКМж» (раствор хлористого кальция модифицированный); «Антиснег-1» (раствор ацетата аммония); «Нордикс-П» (раствор ацетата калия); «ХКФтв» (хлористый кальций, ингибированный фосфатами) и «Био-маг» (хлористый магний модифицированный). Из ассортимента выделены ПГР с характерными отличиями (рис. 2-а). Показано, что реагенты на основе хлористого кальция («Биомаг твердый») агрессивно воздействует на сталь и бетон.
Одним из важнейших технологических показателей ПГР является плавящая способность, определяющая нормы расхода ПГР. Неточности в определении норм расхода различных ПГР приводят к их неэкономичному использованию, а также к загрязнению окружающей среды при избыточном применении хлористых солей. Поэтому определение достоверного значения плавящей способности для хлоридных ПГР является принципиально важной задачей при оценке свойств того или иного состава. Нами проведен анализ используемых методик и показано, что согласно применявшейся до настоящего времени «Методике испытания противогололедных материалов» (утвержденной Минтрансом РФ в 2003) плавящую способность определяли по изменению массы льда в кювете (чаше) до и после обработки противогололедными реагентами за определенный промежуток времени при заданной температуре.
С учетом несовершенства существующей методики нами была разработана и занесена в информационный САЬ8-проект новая методика (рис. 3-а) для расчета равновесной плавящей способности ПГР.
Плавящая способность определялась дифференцированно из кривых замерзания, построенных в следующих координатах: массовая доля ПГР - температура начала кристаллизации (1-25)%-ных водных растворов ПГР, построенных для любой конкретной температуры в интервале от -1 до -20 °С. Экспериментальные кривые замерзания снимаются в автоматическом режиме с использованием установки, включающей жидкостной криотермостат и измеритель-регулятор температуры (рис. З-б), позволяющий определить начало кристаллизации разбавленных растворов. Величина р! равновесной плавящей способности рассчитывалась нами для любого значения температуры по расчетной формуле: р, = со/с, - 1, где Со - исходная концентрация химического вещества в растворе или в сухом реагенте; с, - конечная - равновесная концентрация вещества в растворе после плавления льда или снега, соответствующая температуре замерзания раствора при рассматриваемых условиях. Для построения кривых замерзания растворов ПГР определяют температуру начала кристаллизации разбавленных растворов образца в интервале концентраций от 1% до концентрации (массовой доли) исходного раствора или эвтектической концентрации для твердого реагента. Температуру начала кристаллизации приготовленных растворов ПГР определяют по ГОСТ 18995.5-73.
ifi КМК химических ПГР ■ PSM 31 »«па самлвга 1ьстао *.«галмнл 1 II.CriOC.pdf Atel» Леев... v._ . r^jCä
|®жл Ор«и giu Кастро«" 1 а ч.и » ^ | <S> © ЕЗ ü ö Е»
\ в й" м а »IД1ГАЛЫЮ1 АГЕНТСТВО ВО TEXjnftSCVOUV
Навигатор г ¡9 Категории В jj Ш ишческих ПГР г 1. Хлориды !- U 1.1. Хлориды кальция - £} ХКМ жидкость ♦ Щ 1.0рганолептические показатели ® - 2. Физико-ашчеосие показатели B-Ü 3. Техиолопмеосиепоказатели 3- jü 3.1. Плавящая способность - fcj Методжа(»01.00225(20Б^4-11) &- {Ц 1. Разбавление Е- Jä 2. Териостатцюмние ± Криостат LOP FT-311-80 ±- М Криотерностат КРИО-ВТ-05-02 ± И Термостат циркуляционный WCR-P8.D Е- 3. Определение температуры 5 & ТермшрИРТ-4 ♦ 3.2. Гигроскопичность »Uirt.HIOI ГООХ1К1КШЮ1 vniuioi пшштш —— -К1ЮГШГ1ШЙ ялу-чшо (« njounnam ntcntm мыюлохтиьаа ытм-- С ВПЛЕ ГЬЛЬСТВО А» 01.00225/295-44-11 ОЬ АТТЕСТАЦИИ МЕТОДИКИ НШЕГЕНИЛ игтолпи niurriiMI ОРОТПВОГОДО.иДИЫ> НАНЯТО»
.'»»тап < ГОСТ Г ;u<* .-1» ог ш hminiiii »рпто^ \ б jgmm ■
|Г отово 210» 2*7» < 90 S»3 s / »« ж«и> « ■н
Рис. 3. КМК-система ПГР. Технологические показатели. Плавящая способность (а - свидетельство об аттестации методики; б - определитель температуры ИРТ-4).
В КМК-систему занесены результаты измерений, являющиеся средними значениями двух параллельных определений, по значениям температуры через каждые 0,1 °С в интервале от -0,1 °С до -10°С, и через каждые 0,5°С в интервале от -10°С до -20°С. Кривая замерзания МРтв (по значениям параллельных определений) представлена на рис. 4. Аналогичным образом были получены результаты измерения плавящей способности для других типов ПГР.
Для использования ПГР при пониженных температурах были проведены комплексные исследования и получены экспериментальные данные по плавящей способности в температурном диапазоне ниже -20°С для следующих марок ПГР: МРтв (рис. 4-а), МРКтв, КР2тв, КРЗтв. Эксперимент показал, что данные марки ПГР (при соотношении массовых долей основных действующих химических веществ в эталонном образце) не плавят лед и снег при температуре ниже -23 °С, так как указанная температура близка к эвтектической для смеси солей с преобладанием хлористого натрия. Также показано, что при температуре от -20 °С до -23 °С нормы применения ПГР увеличиваются с понижением температуры в зависимости от плавящей способности: примерно от 5 раз (по сравнению со стандартом) при -20 "С и примерно до 7 раз при -23 °С. Нами были даны рекомендации о том, что в температурном интервале от -23 °С до -30 °С необходимо применять новый ПГР, содержащий в своем составе не менее 80% хлористого кальция (90%-ного) по ГОСТ 450, так как эвтектическая температура для такого состава будет ниже -30 "С.
Щ 8. -17,5 градусов
♦ На 9. -20 градусов
Ё iä 1.1.2. Математическая обработка : > Ьа Коэффициенты недели
- 1.2. Исследование плавящей способност! - 1-2.1. Экспериментальные исследоег
* (9 1.-20 градусов S fcj 2. -20,5 градусов
1ая способность в интервале температур от 0 до - 20 °С
М1*тв
0.0000QU
-0 01842?
-O.0OU221
о.осиюз8
0.000002
КП'кте
0.000000
0.031870
1.005338
КР?тв
-2262611
-и.013.46
0.00239»
0.00006?
КРЗтв
•0.025446
0.000048
о.ооогю:
Рис. 4. СЛЬБ-проект системного анализа плавящей способности хлоридных ПГР (а - кривая замерзания водного раствора МРтв; б - коэффициенты модели).
Коэффициенты для урши-ния вила
Проведена разработка нового формиатного ПГР, в ходе которой создана и реализована в КМК-системе аналитическая методика количественного анализа формиатов с относительной суммарной погрешностью результата анализа, соответствующей высокоточным характеристикам титриметрических методов. Практическая значимость проведенных исследований подтверждена патентом № 2478203 от 27.03.2013 «Способ определения содержания формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах» (рис. 5-а).
Для количественного определения формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах предлагается способ определения содержания формиатов щелочных металлов, основанный на титриметрическом методе количественного анализа и применяемый для противогололедных реагентов, содержащих 1-50 мае. % формиатов щелочных металлов, а также дополнительно содержащих хлориды кальция и хлориды щелочных металлов. Определяющим признаком предлагаемого способа является предложенная последовательность обработки исследуемой пробы различными химическими реагентами: сначала осуществляется обработка щелочным раствором брома, а затем после добавления уксусной кислоты для создания уксуснокислой среды проводится обработка солянокислым раствором йодида калия, а затем титрование водным раствором тиосульфата натрия.
| Клтегор»») ~ | КМК
У» 1. Хлориды Щ| 2. Ацетаты М| 3. Карбамиды ■Ü 4. Нитраты 5. Форматы Et Jk| Бионорд Е- 09 ПГР-ИРЕА
■* 1 ■ Оргаиолептичеосие показатели Ь ¡¡t С. Физико-омические показатели г |St 2.1. Массовая
Хлориды
2.1.2. Ацетаты
2.1.3. Карбонаты
2.1.4. Фортаты Методика ПМ9247820Э
Автоиатичекий титратор АТП-02 Автоматический титратор &46 Tfttino plus
| Мет о, ;
<i.
| 2.2. Зерновой состав | 2.3. Теипвратура начала кристаллизации | 2.4. Влажность
2.5. Массовая доля нераствор»*«« в воде веществ | 2.6. Водородиьм показатель | 2.7. Плотность > 2.8. Динамическая вязкость > fei 3. Технологические показатели
Рис. 5. КМК-система ПГР. Физико-химические показатели - определение формиатов (а - патент на способ определения формиатов; б - титратор ТШтшЬше).
При решении задачи управления качеством формиатных ПГР нами показано, что, во-первых, формиат натрия, как компонент в составе ПГР, эквивалентен по действию хлориду натрия, во-вторых, наличие в составе формиата натрия оказывает экологически положительное влияние.
Эквивалентность полноценной замены компонентов показана нами из общего физико-химического анализа депрессии температуры замерзания растворов. Проведенный термодинамический анализ показал, что депрессия температуры замерзания может быть выражена в виде соотношения:
То-Т=ут-(КТо2Л^)-ф, где V - стехиометрический коэффициент, т - моляльность, 11То2/1М - криоско-пическая константа (11 - скрытая мольная теплота плавления льда, XV - молекулярный вес воды), ф - осмотический коэффициент. Таким образом, очевидно, что депрессия температуры замерзания для одного растворителя зависит целиком от значения осмотического коэффициента. Были рассчитаны осмотические коэффициенты формиата и хлорида натрия при температуре замерзания растворов, исходя из литературных данных. Показано, что найденные значения для одномоляльных растворов составили соответственно: ф(НСООЫа)=0,769 и ф(№С1)=0,776. Это показывает практически полную эквивалентность поведения данных компонентов. Положительное влияние формиата натрия выражено тем, что он безвреден при проникновении в почву и растительность. При этом замена части хлористых солей уменьшает их отрицательное действие на почву и растительность.
В результате системного анализа влияния формиата натрия на качество продукта, формиат натрия включен в состав разработанных совместно ФГУП «ИРЕА» и ОАО МХК «ЕвроХим» новых ПГР (жидкого и твердого). Проведены его лабораторные испытания, подтвердившие результаты системного анализа,
предшествовавшего выбору рецептуры, намечена постановка на производство заводом «Новомосковский ХЛОР».
Глава 3. Аналитический мониторинг влияния противогололедных реагентов на компоненты окружающей среды.
Применение химических реагентов для зимнего содержания дорог всегда сопровождается определенными неизбежными экологическими последствиями, связанными с попаданием в окружающую среду большого количества химических веществ. Показано, что нет абсолютно безвредных способов содержания дорог в зимнее время в чистом виде. Для снижения негативных последствий проводится экологический мониторинг состояния объектов окружающей среды, который позволяет оценить воздействие применяемых ПГР по 4-м важнейшим экологическим кластерам: почвенный покров, водные объекты, зеленые насаждения и атмосферный воздух.
На основе концепции CALS была разработана информационная система оценки экологического воздействия ПГР на окружающую среду. В качестве категорий верхнего уровня (рис. 6) были выбраны различные объекты окружающей среды: снежный покров и водные объекты (категория № 1); почвенный покров (№ 2); зеленые насаждения (№ 3) и атмосферный воздух (№ 4). Необходимо отдельно рассматривать воздействие на окружающую среду большого объема основных компонентов ПГР и сопутствующих им наиболее потенциально опасных примесей. Для этого на втором уровне разработанной системы рассматриваются основные группы химических ПГР: хлориды, ацетаты, карбамиды и нитраты. На рисунке представлен элемент CALS-проекта для подкатегории № 1.1. «Хлориды». В рассматриваемой подкатегории, в свою очередь, выделено 3 подкатегории 2-го уровня, представляющие собой наименования химических веществ - основных компонентов ПГР: хлориды кальция, магния и натрия. Для каждого соединения в систему занесены 6 индикаторов качества, характеризующих степень воздействия ПГР на выбранный объект окружающей среды (рис. 6): массовая доля растворимых солей (подкатегория № 1), массовая доля нерастворимых в воде веществ (№ 2), водородный показатель (№ 3), удельная эффективная активность естественных радионуклидов (№ 4), массовая доля примесей (№5) и коррозионная активность на металл (№6).
Для каждого показателя в систему занесены все необходимые исследователю сведения о методе определения, используемом приборе и виде выходной документации. Определение массовой доли растворимых солей (подкатегория № 1) ведут титриметрическим методом, для которого в системе приведено несколько наименований используемых для этого цифровых бюреток различных марок (BRAND Titrette, ВТ-50 Stuart Scientific и др.). На рисунке 6 в качестве примера представлен элемент CALS-проекта для подкатегории «Хлориды». Показано, что основным источником поступления хлоридов являются воды хозфекальной канализации, так как именно там утилизируется основная масса снега, содержащего компоненты ПГР. Современная система очистки не позволяет очищать воду от ионов хлора. Все поступающие хлориды с ПГР после очистки воды от других загрязнений попадают в реки г. Москвы.
<&> Экология ПГМ • РЭМ Пиши) ляп &щтт - ]
! Г в И Ч» в й- М Д £ ч яо|)м|||н1апиим Рокмйсмй Фгагриинм
1 Э (И Категории I Э' Ъ Объекты окружающей средь: ЗЙ ^ Смежный покров и водные объекты в Ьг1" ШУ?"^ В Ъ Хлориды кальция ЕВ ОЦ 1. Массовая доля растворимых солей (ось ЕВ 2- Массовая доля нерастворимых в воде в &- (й 3. Водородный показатель В 4. Удельная эффективная активность есте V 5. Массовая доля примесей: 03 !& б. Коррозионная активность на металл :+ 1ЗД Хлориды магния К Ъ Хлориды натрия Ш Ь 1.2. Ацетаты й - Ь Карбамиды ЕВ 'ш Нитраты £ Почвенный покров ¿¡~ ^ Зеленые насаждения $)■ Зд 4 Атмосферный воздух м К1 11Р£ЦЕ.'1ЬНО иО||УС1ИМЫ1 КОНЦЫ« 1НДЦИИ (ПДК) ХИМИЧЕСКИХ ВЕШЕСТВ В ВОДЕ водных о1>ы к юн хозяйствен но-п И п.гпот и КУЛЬТУРНО-БЫТОВОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ ГН 1?.бв«-«в
си« I ^ч
' и 2.1.4 •Гпшюсиа 1иЬ»ап> штс1»у «ади-
Иормяткнм 1пр* Юпсг
с
'.•згкгп "".5Г-1 —— «•' 1 1
— о.оо, « -1 2
Миь ГС и. 1.0 3
_: уммиги--)_ I !'»»>»!ли 1 0.05 '—...... .
Рис. 6. САЬБ-проект «Экологическое воздействие ПГР». Снег, водные объекты -Хлориды (а - гигиенические нормативы 2.1.5.689-98; б - таблица ПДК для воды).
Массовая доля нерастворимых в воде веществ (подкатегория № 2) определяется гравиметрически. Навеску ПГР фильтруют через обеззоленный фильтр «синяя лента» (предварительно высушенный в сушильном шкафу при температуре 60-70 "С до постоянной массы). Осадок на фильтре промывают горячей водой до отрицательной реакции на хлорид-ион, а затем фильтр с осадком подвергается термообработке в сушильном шкафу. В КМК-системе представлено несколько вариантов сушильных шкафов различных фирм-производителей (ГПаЬ, игг^а, Экрос) для выбора сушильного устройства с различными габаритами, максимальной температурой и режимом сушки.
В КМК-системе определению водородного показателя (подкатегория № 3) поставлен в соответствие потенциометрический метод с использованием в качестве аналитического оборудования рН-метра. Метод основан на потенцио-метрическом измерении разницы потенциалов стеклянного электрода и электрода сравнения, погруженных в водный раствор ПГР.
Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов (подкатегория № 4) - методом радиометрии. Метод основан на измерении излучений, испускаемых радиоактивными элементами. В САЬБ-проекты занесены данные по различным рН-метрам и радиометрам отечественного и зарубежного производства. Радиометры предназначены для измерения объемной и удельной активности гамма-излучающих радионуклидов в воде, продуктах питания, кормах, почве, промышленном сырье и других объектах.
Наибольший интерес для нас представляет аналитический мониторинг, связанный с определением и занесением в КМК-систему примесных компонентов химических ПГР. Для этого в подкатегории № 5 «Массовая доля примесей» выделено 3 подкатегории четвертого уровня, объединенных по способу определения рассматриваемых примесей (рис. 7).
Примеси Сс1, Мо, Ав, РЬ и Бе определяют методом масс-спектрометрии
Рис. 7. САЬБ-гцюект «Экологическое воздействие ПГР». Хлориды кальция -Примеси фтора (а - иономер-кондуктометр Анион 4155; б - график зависимости электродного потенциала от концентрации фтор-ионов).
с индуктивно-связанной плазмой (метод основан на использовании для ионизации элементов индукционной плазмы факельной конфигурации; для регистрации ионов определяемых элементов используют масс-спектрометр квадруполь-ного типа); примеси Со, №, Си, Сг и Ъх\ - методом атомно-эмиссионной спектрометрии (метод основан на использовании в качестве источника возбуждения спектров индукционной плазмы факельной конфигурации; для регистрации спектра используются многоканальные фотоэлектрические системы), а примесь фтора - методом потенциометрии. Как и в ранее рассмотренных подкатегориях для каждого метода в системе представлены несколько приборов различных и виды выходной документации (рис. 7-а).
Разработанные КМК-системы «ПГР» и «Экологическое воздействие ПГР» взаимосвязаны и дополняют друг друга. Данный тезис отчетливо иллюстрируется следующей нашей работой. С учетом экологической новации использования формиата натрия как одного из основных действующих веществ ПГР, применяемых в г. Москве, для определения фактического наличия формиата натрия в используемых ПГР был проведен комплексный анализ ассортимента ПГР по основным действующим веществам (по заданию Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы). Полученные с помощью КМК-системы результаты анализа показали, что в состав использовавшихся в сезоне 2011-2012 г в Москве ПГР входили в порядке убывания содержания хлорид натрия, хлорид кальция, хлорид калия и формиат натрия. Массовое соотношение ионов натрия к ионам хлора, в случае если натрий входит в состав только соли хлорида натрия (ЫаС1), не должно превышать значение 0,65. Соответственно, в случае, когда массовое соотношение натрия и хлора выше 0,65 можно утверждать, что в состав противогололедных реагентов вводились другие соли, содержащие натрий (в том числе и формиат). Если же массовое соотношение натрия и хлора ниже 0,65, это свидетельствует о применении в составе противогололедных реагентов других хлоридов (кальция и калия). Кроме
того, соотношение среднего содержания ионов натрия к среднему содержанию ионов хлора, согласно данным, приведенным в КМК-системе, составляет 1118,5/2363 = 0,47, что меньше значения 0,65. Этот результат свидетельствует о том, что в состав используемых в г. Москве ПГР входят, в основном, традиционно применяемые хлориды (кальция и калия), а формиат натрия использовался как компонент ПГР еще в очень незначительном количестве. Это подтверждается лабораторными испытаниями образцов ПГР. Нами было показано, что в состав твердых ПГР входит формиат натрия. Его среднее количество, определяемое при входном контроле ПГР (данные ФГУП ИРЕА), составляет 3-5%. При таком содержании значимо повлиять на результаты определения содержания ионов натрия и хлора в пробах формиат натрия не может.
Глава 4. CALS-технология для системного анализа и выбора дорожных пропиток.
На основе информационного CALS-стандарта ISO-10303 STEP была разработана система компьютерного менеджмента качества пропиточных составов для дорожных покрытий (рис. 8). На верхнем уровне разработанной системы пропиточные составы классифицированы по назначению. Было выделено две основные категории: восстанавливающие (омолаживающие) составы (категория №1) и составы для защиты асфальтобетонных покрытий (категория №2).
В обеих рассмотренных группах пропиточные составы объединены по виду основы: различают восстанавливающие составы на основе нефтяного битума (подкатегория № 1.1), глины (подкатегория № 1.2) и индустриальных нефтяных масел (подкатегория № 1.3). Материалы из второй группы пропиток (категория № 2), как правило, не влияют на структуру асфальта, только создавая поверх него защитный слой, в том числе для декоративных целей. Проанализировав составы защитных пропиток, нами было выявлено, что большинство таких композиций составлено на основе полимерных материалов. Существуют также защитные составы на основе щелочей (StreetBondl50), рафинированных смол (Star Aviator), на каменноугольной основе (Star Micropave Supreme), содержащие битум (Star Micropave Aviator, Star Micropave ProBlend).
Технологически производство восстанавливающих пропиток на основе битума может быть организовано тремя различными способами: разогревом битума до необходимых (технологических) температур, разжижением битума легкими (как правило, органическими) растворителями или эмульгированием битума. Данные способы отражены в подкатегориях второго уровня подкатегории №1.1 «Пропиточные составы на основе битума». Наибольший интерес представляют дорожные пропитки, полученные эмульгированием битума: прямые и обратные эмульсии (подкатегории №№ 1.1.1.1 и 1.1.1.2 соответственно). По виду используемого эмульгатора битумные эмульсии подразделяют на анионные и катионные. Приведенный на рис. 8-а пропиточный состав АРТ-78 предназначен для сохранения, восстановления и модификации жизненно важных свойств асфальта. АРТ-78 повторно связывает и стабилизирует покрытие, уплотняя и восстанавливая связующие компоненты асфальтобетона, улучшая при этом внешний вид асфальта.
ФПроп.
1МЫ дп. ;»|К..НЫ> 1Юмрытий-7.(1(1
Ормк! Вид Настройки I
т- в я ь в а' н = «кЧ.«!.
. 1. Эму 1»гиров«ни» битума | 1.1.1.1. Пряные жулмии
61.1.1.1.1. 1>ммм МУЛкСИИ
1.1.1.1.2. Катм.
с ь» ИНН
■В «1.1.2.
ЦУ1 1.1.1.Э. Пасты 1.1.2. «»еэжмшеиие битума
ЙА5Р
ПАЕ "Дорсаи" | 1.1.3. Разогрев битума до техмо!
АъРеп АС Сог.с*п(г«ка
скг
■в нефтяного битума «аг Мкгисл«в А<Леи» 5«аг Мкгорвуе Ргоаеой На осмоае пот тарных материалов
51аг-«гмп
5»аг Ау<а(ог
5еаг Мкгорауе 5иргете 5<гие»Воос) 150
■И М>1 /в - Программа пржмотра ню6ра»«ним ... - ;
И :
СЕРТИФИКАТ СООТВЕТСТВИЯ
Рис. 8. Элемент САЬБ-проекта «Пропиточные составы». Восстанавливающие составы - Нефтяной битум - Эмульгирование битума - Прямые эмульсии - Ка-тионные эмульсии - «АРТ-78» (а - сертификат соответствия «АРТ-78»),
В КМК-систему занесен ассортимент защитных дорожных пропиток, не содержащих битумы. Например, дорожная пропитка ЬА8-320 является новой разработкой корпорации ЕгтгояеаК Этот продукт рекомендован для обработки поверхности асфальта и не является составом на основе нефти. ЬА5-320 прошел всестороннее испытания под воздействием внешней среды, включая тесты по замораживанию и оттаиванию.
На основании проведенного анализа для каждой пропитки нами разработаны несколько групп показателей качества (рис. 9): органолептические (подкатегория № 1), физико-химические (подкатегория № 2), физико-механические (подкатегория № 3), технологические (подкатегория № 4), экологические (подкатегория № 5) и эксплуатационные (подкатегория № 6). В каждой группе выделено несколько основных индикаторов качества, определяемых в соответствии с ГОСТ или другими нормативными документами для каждой пропитки. Так, например, в подкатегории № 1 «Органолептические показатели» объединены такие индикаторы качества, как внешний вид, цвет и запах (подкатегории №№ 1.1,1.2 и 1.3, соответственно). Проанализировав собранную документацию на различные пропитки, а также ГОСТ 18659-81 и ГОСТ Р 52128-2003 («Эмульсии битумные дорожные. Технические условия»), в подкатегорию № 2 «Физико-химические показатели» нами было выделено 5 позиций: условная вязкость, содержание вяжущего с эмульгатором, массовая доля нелетучих веществ, температура хрупкости и температура вспышки. Для каждого показателя в систему занесены данные о методе определения и используемом приборе.
В подкатегории № 3 «Физико-механические показатели» представлены наиболее важные контролируемые индикаторы качества дорожных пропиток: температура размягчения по кольцу и шару, растяжимость, однородность, температура хрупкости и температура вспышки. В подкатегории № 4 «Технологические показатели» представлены основные индикаторы качества, характери-
зующие взаимодействие пропитки с дорожным покрытием: время высыхания пленки на поверхности, летучесть, коэффициент эффективности, сцепление с минеральными материалами и глубина проникания иглы.
Ч* Пропиточные составы дч* дорожных п<мсрытий-2Э апр«пя.«1<] (1 > Ь<
t
Ък 1.3.1.2. Катионные эмульсии W 1р АРТ-78
Технониколь
1 • Оргамопвптические =4- 2. Фиэико-химичвские i
Bp 2.1. Условная вязкость
| 2.2. Содержание вяжущего с эмульгатс | 2.3. Массовая доля нелетучих вешесте
. Температура хрупкости | 2.Б. Температура в< | 3. Физико-механические показатели М Э. t. Температура размят« 1- ва ГОСТ 11S06-73 h »М RK-1
Б ВЦ
№ Б КИШ-20 да- Б Линтел КИШ-20М4
83.2. Растяжимость 3.3. Однородность | 4. Технологические показатели gtt 4 .1 . Время еькк У» 4.2. Летучесть
4.3. Коэффициент эффект! уи1 4.4. Сцепление с минеральна 4.5. Глубина проникания
!♦ ДО 1.1.3.2. Обратные эмульсии
Рис. 9. Элемент САЬЗ-проекта «Пропиточные составы»" "Яати'онньте эмульсии -Технониколь - Физико-химические показатели - Температура размягчения по кольцу и шару (а - аппарат ШСА-5; б - температуры размягчения битумов).
Одним из важнейших физико-механических показателей является температура размягчения по кольцу и шару (подкатегория № 3.1). Методика определения описана в ГОСТ 11506-73 и ОДМ 218.7.004-2008. Используемый для испытания аппарат состоит из стакана (бани) термостойкого стекла; латунных ступенчатых колец; пластинок металлических (верхняя пластинка имеет три отверстия: два для помещения колец и третье - для термометра); штатива, поддерживающего пластинки; направляющей металлической накладки для концентрического размещения шариков (допускается проводить определение без направляющей накладки); шарики стальные по ГОСТ 3722-81 каждый и термометра ртутного типа ТН-3 и ТН-7 по ГОСТ 400-80. Требования к применяемым приборам занесены в соответствующие подкатегории КМК-системы.
Разработанная КМК-система позволила провести многокритериальный анализ современных составов дорожных пропиток применительно к использованию на асфальтобетонном покрытии автодорог РФ, так как по ряду причин асфальтобетонное покрытие стареет значительно раньше окончания межремонтного срока, а одним из недостатков традиционных методов защиты локальным применением известных битумных композиций является несбалансированность следующих свойств: недостаточная эластичность и невысокие прочностные показатели; недостаточная скорость проникновения в асфальтобетонное покрытие; недопустимо большое время затвердевания.
Проведенный анализ природно-климатических условий и дорожной обстановки показал, что ни одна из имеющихся марок пропиток полностью не отвечает требованиям, предъявляемым к качеству содержания объектов дорожного
хозяйства. Показано, что на автодорогах РФ перспективна для применения восстанавливающая пропитка, обладающая герметизирующими, гидрофобизиру-ющими и другими свойствами, не содержащая в составе воды, не имеющая в качестве примесей фрикционных частиц, имеющая высокую скорость высыхания на поверхности автодороги и адекватную дорожной обстановке технологию применения. В результате нами изобретен инновационный состав дорожной пропиточной композиции, включающий нефтяной битум, нефтеполимерную смолу и органический растворитель (в растворе с ним могут использоваться минеральное масло и поверхностно-активные вещества), и технология ее применения имеющимся парком дорожной специальной техники. На данное изобретение подана заявка «Способ обработки дорожных асфальтобетонных покрытий» (№ 2012153391 от 11.12.2012 г.).
С помощью КМК-системы установлено, что этим требованиям максимально соответствует, восстанавливающий состав пропитки, включающий основу-нефтепродукт (битум или нефтяное масло), превращенную в эмульсию (разогревом с введением смолы). Экспериментальным путем был определен инновационный состав пропитки (битум, смола и растворитель), которая в настоящее время успешно проходит микронатурные испытания. Способ обработки автодорожного покрытия с использованием данного материала был заявлен на патентование.
Выводы:
1. На основе системного подхода впервые разработаны теоретические и практические основы аналитического мониторинга химических противогололедных реагентов и дорожных пропиток. Мониторинг проводился по кластерам ключевых параметров, как заданных техническими требованиями к продуктам дорожной химии, так и определенных в ходе экспериментальных исследований. Разработаны методические основы формирования ассортимента противогололедных реагентов и дорожных пропиток, рекомендованных для загрузки основных производственных фондов предприятий химической и нефтехимической промышленности (акт внедрения). Заложены методологические основы создания аналитических моделей для субъекта Федерации с возможностью выработки готовых решений и прогнозирования аналитических результатов.
2. Разработана система компьютерного менеджмента качества химических противогололедных реагентов в следующих информационных сечениях: химический состав; показатели качества; методы анализа; аналитическое оборудование. Основные 18 показателей качества сгруппированы по 4-м информационным кластерам: органолептические, физико-химические, технологические и экологические. Проведены с использованием КМК-системы для Департамента ЖКХ и благоустройства г. Москвы комплексы системных теоретических и экспериментальных исследований по 14 договорам на НИР и 51 Государственному контракту «Проведение испытаний противогололедных реагентов на соответствие техническим требованиям по условиям поставки».
3. Показано на основе физико-химического анализа депрессии температуры замерзания растворов, что применение в качестве действующего вещества формиата натрия полностью эквивалентно применению хлорида натрия. Создана и реализована в КМК-системе аналитическая методика количественного анализа формиатов с относительной суммарной погрешностью результата анализа, соответствующей высокоточным характеристикам титриметрических ме-
тодов. Новизна разработки подтверждена патентом № 2478203 от 27.03.2013 «Способ определения содержания формиатов щелочных металлов в противогололедных реагентах». Разработанные инновационные составы жидкого и твердого формиатных ПГР предложены для постановки на производство ООО «Новомосковский ХЛОР» в составе ОАО «Минерально-химическая компания Ев-роХим» (акт внедрения).
4. Разработана система экологического мониторинга влияния противогололедных реагентов на следующие компоненты окружающей среды: снежный покров; водные объекты и грунтовые воды; почвенный покров; зеленые насаждения; атмосферный воздух. Для каждой экологической составляющей в архитектуру системы введены 6 важнейших индикаторов качества (массовая доля растворимых солей, массовая доля нерастворимых в воде веществ, водородный показатель, удельная эффективная активность естественных радионуклидов, массовая доля примесей и коррозионная активность на металл), характеризующих степень воздействия конкретного ПГР на выбранный объект окружающей среды. По всем индикаторам качества в систему введены соответствующие методы анализа и аналитическое оборудование. Полученные по экологическому мониторингу результаты вошли в 2 договора Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы № 125-11 от 30.05.2011 и № 151-12 от 25.07.2012 «Выполнение работ по экспертно-методическому сопровождению работ по ведению мониторинга воздействия противогололедных реагентов на состояние природных сред».
5. Для компьютерного менеджмента качества дорожных пропиток разработана информационная система по двум целевым классам: восстанавливающие и защитные. Для каждого класса пропиток выделены две основные подкатегории: «битумные, нефтяные масла» и «битумные, полимерные». По каждой подкатегории сгруппированы пропитки соответствующих химических составов, каждый из которых характеризуется совокупностью показателей качества. Проведена систематизация 32 показателей качества по предложенным нами 6 информационным кластерам: органолептические; физико-химические; физико-механические; технологические; экологические и эксплуатационные. По каждому показателю в архитектуру системы имплементированы наиболее перспективный метод анализа и аналитическое оборудование. На основании проведенного многокритериального анализа эффективности дорожных пропиток разработан новый состав на основе модифицированного битума, на который подана заявка на патент «Способ обработки дорожных асфальтобетонных покрытий» (№2012153391 от 11.12.2012).
6. Разработанные на базе информационных САЬБ-технологий системы внедрены в Аналитическом испытательном центре (Испытательной лаборатории «Реактив») и Центре коллективного пользования «Исследовательский научно-аналитический центр» научным оборудованием ФГУП «ИРЕА» (акт внедрения). Программные модули СЛЬБ-систем аналитического мониторинга вошли в Государственный контракт Минобрнауки России ГК 16.552.11.7010 «Развитие центром коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в области разработки новых методов контроля качества...».
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Глушко А.Н., Бессарабов A.M., Степанова Т.И. Разработка CALS-технологим компьютерного менеджмента качества химических противогололедных материалов и дорожных пропиток на основе методов системного анализа // Наукоемкие технологии. 2013. Т. 14, № 3. С. 74-80.
2. Бессарабов A.M.. Глушко А.Н., Степанова Т.И.. Гордеева Е.Л. Компьютерный менеджмент качества противогололедных материалов для автомобильных дорог // Известия МГТУ «МАМИ». 2012. Т. 4, №2 (14). С. 121-125.
3. Бессарабов А.М., Глушко АЛ., Степанова Т. И., Лобанова A.B. Аналитический мошггоринг химическнх противогололедных материалов на основе концепции CALS // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 1 (64), Выпуск 2. С. 225-229.
4. Бессарабов A.M., Глушко А.Н., Степанова Т.И., Лобанова A.B., Занков Г.Е.. Стоянов О.В. Разработка компьютерных систем для поддержания оптимального состояния муниципальной автодорожной инфраструктуры // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 10. С. 293-299.
Публикации в других научных изданиях:
5. Глушко А.Н., Степанова Т.И., Подмарева О Н., Бессарабов A.M. Анализ региональной транспортной инфраструктуры на примере противогололедных материалов // Сборник научных трудов X Международной научно-практической конференции «Партнерство бизнеса и образования в инновационном развитии региона». Тверь. ТФ МЭСИ, 27 октября 2011 г., с. 126-129.
6. Глушко А.Н.. Бессарабов A.M., Степанова Т.И., Гафитулин М.Ю. Разработка информационной базы данных по химическим противогололедным материалам // Материалы XXIV Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2011), Уфа. 6-8 декабря 2011 г., с. 181-182.
7. Степанова Т.Н., Глушко А.Н.. Квасюк A.B., Бессарабов A.M. Разработка CALS-технологии неорганических противогололедных материалов H Тезисы докладов XIV Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2012». Тула, 2125 мая 2012 г., с. 364.
8. Бессарабов A.M., Глушко А.Н., Степанова Т.Н., Лобанова A.B. CALS-система компьютерного менеджмента качества химических противогололедных материалов //' Сборник трудов XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-25), Волгоград, 29-31 мая 2012 г., т. 7, с. 69-71.
9. Бессарабов A.M., Глушко А.Н., Степанова Т.И., Гафтулин М.Ю. Разработка CALS-системы для поддержания оптимального состояния муниципальной автодорожной инфраструктуры // Материалы шестой межд. конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD'2012), 1-3 окт. 2012 г., ИПУ РАН, Москва, Россия, т. 2, с. 203-205.
10. Лобанова A.B., Глушко А.Н., Степанова Т.И., Кочетыгов АЛ., Поляков A.B.. Бессарабов А.М. Автоматизированная разработка технических условий на химические противогололедные материалы // Тезисы докладов XXVI Международной научно-технической конф. «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2012), Минск, 2-4 октября 2012 г., с. 108.
11. Лобанова A.B., Глушко А.Н., Квасюк A.B., Поляков A.B.. Бессарабов A.M. Компьютерный аналитический мониторинг химических противогололедных материалов и дорожных пропиток // Сборник научных трудов «Успехи в химии и химической технологии»: РХТУ им. Д.И. Менделеева. Москва. 2012. T. XXVI, № 1. С. 90-92.
12. Глушко А Н., Степанова Т.И.. Поляков A.B., Бессарабов A.M. CALS-технология для системного анализа и выбора дорожных пропиток // Материалы XII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела». Уфа, 3-4 декабря 2012 г., с. 30-32.
13. Bulatitsky К.К., Sandu R.A., Glushko A.N., Krasilshik V.Z. Application of modern analytical method for assessing the environmental impacts of deicing agents on the environment // 13-th European Meeting on Environmental Chemistry (EMEC13), December 05-08, 2012, Moscow, p. 30.
14. Бессарабов A.M., Глушко A.H., Степанова Т.И., Лобанова A.B., Занков Г.Е., Стоянов O.B. Разработка компьютерных систем для поддержания оптимального состояния муниципальной автодорожной инфраструктуры // Энциклопедия инженера-химика. 2013. № 7. С. 51 -58.
15. Булатишаш К.К., Орлов Ю.Н., Разинов А.Л., Хачатрян Д.С., Санду P.A., Глушко А.Н., Венднло А.Г. Способ предотвращения скользкости на дорожных покрытиях и тротуарах // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2012110102/28 от 16.03.2012.
16. Краснова Н.Б., Лебедева Л.А., Ретивов В.М., Кислякова Л.С., Лобанова A.B., Булатиц-кий К.К., Санду P.A., Глушко А.Н. Способ определения содержания формнатов щелочных металлов в противогололедных реагентах // Патент № 2478203 от 27.03.2013.
Подписано в печать 18.09.2013г.
Усл.п.л. - 1.5 Заказ №15847 Тираж: 120 экз.
Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru
1 3 - 1 2 0 0 9
2013115154
2013115154
-
Похожие работы
- Проблемно-ориентированные CALS-системы компьютерного менеджмента качества химических противогололедных материалов и дорожных пропиток
- Совершенствование технологии применения противогололедных материалов при зимнем содержании автомобильных дорог
- Проблемно-ориентированные CALS-системы для автоматизированной разработки химико-технологических производств веществ особой чистоты
- Управление информационными ресурсами отраслевой научной организации на основе международных стандартов
- Разработка комплекса информационных CALS-технологий для плазмохимического синтеза особо чистых наноматериалов
-
- Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
- Теория систем, теория автоматического регулирования и управления, системный анализ
- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
- Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)
- Управление в биологических и медицинских системах (включая применения вычислительной техники)
- Управление в социальных и экономических системах
- Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
- Системы автоматизации проектирования (по отраслям)
- Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
- Системы обработки информации и управления
- Вычислительные машины и системы
- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)
- Теоретические основы информатики
- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
- Методы и системы защиты информации, информационная безопасность