Нагрівне автодорожнє та аеродромне покриття

1. Нагрівне автодорожнє та аеродромне покриття, що спирається на пружну основу і склада 3 Недоліками цього технічного рішення є те, що застосування його для великих площ таких, як покриття магістральних доріг та смуг аеродромів потребує значних обсягів нагрівальних кабелів та експлуатаційних витрат, а також те, що відбувається поглинання частини теплової енергії основою покриття. Відома багатошарова дорожня конструкція, яка містить пружну основу, шар монолітного бетону, теплоізолючий шар, протиожеледне покриття, що складається із непровідної складеної чарункової структури і струмопровідних нагрівних елементів у вигляді сталевого дроту, протягнутого крізь отвори, розташовані в ребрах жорсткості чарунок структури, і несуче покриття з асфальтобетону або бетону [4] (прототип). Основний недолік розглядуваної конструкції - її складність та труднощі при монтажі, низька ремонтопридатність та висока вартість, а також нерівномірність обігріву через застосування нагрівних елементів у вигляді сталевого дроту. Загальний недолік всіх розглянутих технічних рішень полягає в тому, що не наведено даних відносно механічної міцності конструкцій, а також не надано показники теплового стану та прогнозуємої температури робочої поверхні. Окрім того у всіх вказаних конструкціях використовуються металеві елементи, які з часом підлягають корозії та потребують протикорозійних заходів. Метою корисної моделі є розробка конструкції нагрівного автодорожнього та аеродромного покриття для талення снігу і запобігання ожеледиці та слизькості на її робочій поверхні в зимовий період року з покращеними, у порівнянні з розглянутими конструкціями, технологічними та економічними властивостями. Завдяки наявності запатентованого авторами [5, 6] нового резистивного композиційного матеріалу - насиченого вуглецевими фібрами електропровідного бетону «фібробетел», шар якого відтворює нагрів, виникає новий принцип конструювання нагрівного покриття як загальної багатошарової системи, у якій поєднані шари міцного типового дорожнього або аеродромного одягу з нагрівним шаром та іншими конструктивними елементами. Завдяки вказаного поєднання досягаються наступні технічні результати: - рівномірний нагрів зовнішньої робочої поверхні покриття; - забезпечення міцності усіх елементів конструкції; - застосування відомих технологічних засобів будівництва, загальних для усіх елементів (шарів); - підвищення довговічності покриття за рахунок використання для подачі струму замість металевих елементів - вуглецевої електропровідної сітки, волокна якої, маючи міцність 200-250ГПа, по своїм механічним властивостям, не поступаються кращим сортам сталі, не підлягають корозії продуктами гідратації цементу, протистоять дії вологи та термоокислювальним процесам при нагріві [7]. Окрім того, технічним результатом є термоізоляція нагрівної системи покриття від нижчерозташованих бетонних шарів типового дорожнього або аеродромного одягу, за рахунок чого тепловий 50381 4 потік спрямовано до робочої поверхні системи та досягається ефективне витрачення теплової енергії. Отже, технічний результат конструкції, що пропонується, полягає в економному використанні енергозатрат за рахунок нагріву безпосередньо робочої поверхні покриття. Таким чином, поставлена мета з досягненням зазначеного технічного результату вирішується за рахунок того, що в цілому покриття виконується у вигляді багатошарового пакету, який спирається на пружну основу, що підстилає типову цементобетонну плиту, накриту шаром термоізоляції, на якому розміщена вуглецева електропровідна сітка та нагрівний електропровідний шар, розташований під поверхневим робочим шаром зносу, що підлягає нагріву і виконує роль електроізоляції. Технічних рішень з подібними ознаками не знайдено, тому можна зробити висновок про те, що технічне рішення, що заявляється, володіє суттєвими відмінностями. Як варіант технічного рішення корисна модель ілюструється кресленням, де на Фіг.1 - подана конструкція пакету аеродромного покриття, його поперечний розріз; на Фіг.2 - розрахункова модель конструкції нагрівного аеродромного покриття, на Фіг.3 - модель теплового стану верхніх шарів нагрівного аеродромного покриття. Конструкція містить пружну основу 1, на яку спирається тришарова цементобетонна плита 2, термоізоляційний шар 3, вуглецева електропровідна сітка 4, яка підстилає нагрівний електропровідний шар 5, що складається із монолітного шару фібробетелу. Нагрівний шар укритий шаромзносу 6 із асфальтобетону. Спорудження конструкції аеродромного покриття здійснюється наступним чином. На підготовлену пружну ґрунтову основу 1 укладають послідовно шари 2а, 2б, 2в цементобетонної плити 2, користуючись рекомендаціями СНиП 2.05.08-85. На плиту 2 укладають шар термоізоляції 3, який служить тепловідбивним екраном, а поверх нього сітку із вуглецевих волокон 4, яку підключають до джерела електроенергії (не показано). Сітка з вуглецевих волокон є покупним виробом, який виробляється промисловістю. На сітку 4 кладуть шар фібробетелу 5, який є електропровідним матеріалом з питомим електричним опором 67...230Ом·см, поверх шару 5 укладають шар зносу покриття 6 із асфальтобетону, який відповідає ДЕСТ 9128-84. Робота покриття здійснюється наступним чином. При вмиканні електроживлення відбувається рівномірний розігрів шару 5. Тепловий потік через наявність тепловідбивного екрану 3 прямує переважно до верхнього шару покриття 6, підтримуючи в останньому належний тепловий режим. Регулюючи силою струму тепловий потік, отримують температуру, достатню для талення снігу і льоду. При температурах, вищих за температуру фазового переходу, ожеледь не утворюється і електроживлення вимикають. Для підтвердження працездатності багатошарового нагрівного аеродромного покриття проведено математичне моделювання конструкції. При математичному моделюванні роботи покриття роз 5 50381 глядалася модель конструкції нагрівного аеродромного покриття, що зображена на Фіг.2. На Фіг.2 застосовуються такі позначення: hк - висота к-го шару покриття, м; zк - відстань від нейтральної поверхні до серединної площини шару к; Ек - модуль пружності матеріалу к-го шару, МПа; vк - коефіцієнт Пуассона к-го шару; Р - розрахункове навантаження від колеса розрахункового літака, МН; d - діаметр круга, що дорівнює по площині сліду колеса розрахункового літака, м; - положення нейтральної поверхні відносно робочої поверхні аеродромного покриття,м; Bbtb - клас бетону по міцності на розтяг при згинанні, МПа. Напруження по товщині пакету шарів та тепловий стан нагрівних шарів визначалися за допомогою програмного продукту [8]. При навантаженні 6 на круговий слід від одного колеса літака отримано момент при згині М=0,095МН при допустимому (розрахунковому) моменті М=0,196МН. Максимальне напруження на нижній поверхні плити становить =1,890МПа при розрахунковому опорі на розтяг Rp=3,73МПа нижнього шару цементобетонної плити класу бетону Bbtb4,4. Отже, міцність конструкції забезпечена. Тепловим розрахунком шарів нагрівного покриття встановлена можливість забезпечення на його поверхні додатної температури від +2,2°С до +11°С при температурі зовнішнього середовища 20°С (Фіг.3). Залежність температур нагрівної системи від теплового потоку, який подається на електропровідну сітку ілюструється таблицею. Таблиця Залежність температур нагрівної системи від теплового потоку Тепловий потік, Вт 1000 1100 1200 1300 1400 Температура нижньої пове- Температура граничної Температура робочої поверрхні фібробетелу, °С поверхні, °С хні асфальтобетону, °С +78,2 +30,6 +2,2 +89,0 +36,6 +4,4 +99,7 +42,6 +6,6 +110,4 +48,6 +8,8 +121,2 +54,6 +11,0 Матеріал нагрівного шару (фібробетел) пройшов випробування при температурах до +150°С з імітацією роботи різної тривалості від 100 до 1000 годин, на протязі яких не відбувалися деструктивні процеси в композиції. Характеристики матеріалу шару фібробетелу відповідали матеріалу [6]. Із Фіг.3 видно, що якщо температура по товщині шару фібробетелу підтримується від +(78,2121,2)°С до +(30,6-54,6)°С, то на робочій поверхні забезпечується температура +(2,2-11)°С. Запропоноване технічне рішення є економічним, тому що нагрівається робоча поверхня покриття. З урахуванням позитивних результатів досліджень теплофізичних властивостей розроблених резистивних композицій і математичного моделювання роботи конструкції покриття, що пропонується, доцільне запровадження її при будівництві злітно-посадочних смуг аеродромів та автомобільних доріг і для суміжних об'єктів дорожнього та аеродромного господарства для безпечності їх зимової експлуатації. Література: 1. Патент RU 2083442 С1. Нагреваемая взлетно-посадочная полоса аэродрома / А.С. Криворотов. - Опубл. 07.10.1997г. 2. Патент RU 2182617 С2. Взлетнопосадочная полоса аэродрома / А.Г. Вержиковский. - Опубл. 20.05.2002 г. 3. Сертификат соответствия РОСС RU. ME67.BO5697. Кабели нагревательные бронированные НБМ, НБМК, БНБК, НБМК/www.sst.ru. 4. Патент RU 2280727 С1. Противогололедное покрытие и дорожная конструкция / И.Ж. Хусаинов, Д.В. Долгов, Е.С. Пшеничникова, Ф.Н. Шакирзянов. - Опубл. 27.06.2006г., бюл. №21. 5. Патент на корисну модель №24417 Н01С7/00. Резистивний композитний матеріал / В.Г. Піскунов, О.В. Володько, О.І. Порхунов. Опубл.25.06.2007р., бюл. №9. 6. Патент на корисну модель №39376 Н01С7/00. Резистивний композитний матеріал / В.Г. Піскунов, О.В. Володько, О.І. Порхунов. Опубл. 25.02.2009 р., бюл. №4. 7. Композитные материалы для строительства подогреваемых покрытий дорог и взлетнопосадочных полос аэродромов / В.Г. Пискунов, О.В. Володько, А.И. Порхунов. Рига "Механика композитных материалов", 2008, Т44, №3, с.317326. 8. Математична модель та програма розрахунку жорсткого дорожнього одягу з Нагрівними поверхневими шарами / В.Г. Піскунов, О.В. Володько, О.М. Демчук, І.М. Дідиченко. // Свідоцтво про внесення до реєстру вироб. прогр. забезп. Серія ВР № 01067.-зареєст. 08.05.2009, видано 23.06.2009 р. 7 50381 8 9 Комп’ютерна верстка О. Рябко 50381 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601