VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

По данным Росавтодора, общая протяженность дорог на территории Российской Федерации – 1 396 000 км, из них 984 000 км – с твердым покрытием. Одним из основных источников загрязнения приземного слоя атмосферы городов являются автотранспортные потоки, движущиеся по этим дорогам. Загрязнение происходит за счет образования пыли в приземном слое атмосферы вследствие износа шин, тормозных колодок и самого дорожного покрытия. Помимо этого, как установлено в работах сотрудников кафедры метрологии, стандартизации и сертификации Оренбургского государственного университета сама пыль абсорбирует большое количество токсичных компонентов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ОГ ДВС) [1, 2]. Основными факторами, влияющими на разрушение дорог, а, следовательно, и на загрязнение приземного слоя атмосферы городов являются: свойства конструкции дорожного покрытия, климатические условия в регионе, свойства транспортного потока и эксплуатационные условия (рисунок 1).

Рисунок 1 ‒ Классификация основных факторов влияющих на износ асфальтобетонных покрытий [3]

Цель исследования: обосновать необходимость оценки влияния продуктов износа дорожного покрытия на загрязнение приземного слоя атмосферы городов при движении автотранспортных потоков с учётом химического состава и концентраций продуктов износа.

В рамках сформулированной цели нами проведён анализ основных факторов, оказывающих потенциальное влияние на степень износа дорожного покрытия, а следовательно, и на загрязнение приземного слоя атмосферы городов.

Химический состав и количество пыли, которая образуется в результате изнашивания непосредственно дорожного покрытия, зависят от состава его материалов. На сегодняшний день основным покрытием для общей сети дорог с капитальными типами покрытий является асфальтобетон. Поэтому пыль, которая образуется в результате изнашивания дорог с твердым покрытием, преимущественно состоит из диоксида кремния (90-95 %). Кроме того, в состав указанной пыли входят дополнительно продукты износа вяжущих битумосодержащих материалов, частицы краски или пластмассы от разметки дороги (5-10 %). Данный состав может довольно значительно варьироваться, как в зависимости от конкретного государства, так и в пределах одной страны. Характеристики асфальта могут быть изменены с помощью определенных добавок, таких как связывающие материалы, полимеры и различные типы минеральных порошков. В работе (Kennedy и др., 2002) приводятся результаты проведенного в Новой Зеландии расчета коэффициента износа для дорожного покрытия с 50 % содержанием битума, который составил 0,44 гр/маш.-км. В том случае, если содержание битума в изношенной поверхности составляет только 10 %, то это значение сократиться до 0,09 гр/маш.-км [4].

Образование пыли при эксплуатации асфальтобетонных дорог обусловливается их износом. Под износом дорожного покрытия понимают постепенное уменьшение его толщины, а также возможные разрушения, вызываемые механическим воздействием транспортной нагрузки. Износ покрытия связан с истиранием его структурных элементов, отрывом и уносом с его поверхности зерен песка и раздробленных щебенок. По результатам исследований различных авторов величина износа асфальтобетона колеблется от 0,18 до 2,5 мм в год. Причём износ дорожных покрытий существенно возрастает на участках дорог со значительной интенсивностью движения автотранспортных потоков, а также в местах торможения и разгона автомобилей.

Свойства автотранспортного потока, а именно интенсивность движения, состав и режим его движения формируют основные параметры физико-механического воздействия автотранспортных потоков на износ дорожных покрытий:

– вертикальную нагрузку, обусловливаемую весом и динамическим воздействием движущихся по дороге автомобилей и других транспортных средств (нормальные напряжения);

– горизонтальную нагрузку, передаваемую на покрытие, которая создается за счет реализации сил тяги и торможения транспортных средств, а также боковых сил в контактах шин с опорной поверхностью;

– всасывающее действие поверхности протектора пневматических шин, которое проявляется в отрыве частиц, зерен песка и щебня от дорожного покрытия под действием вакуумных сил при большой скорости движении автомобиля, и зависит от материала и конструкции шины, а также давления воздуха в ней.

Кроме этого износ дорожных покрытий существенно увеличивается на участках дорог со значительными продольными, поперечными уклонами и (или) большим количеством поворотов малых радиусов. В этом случае, в зонах контактов колес автомобилей с дорожным покрытием, возникают значительные касательные напряжения [3].

На уровень загрязнения атмосферного воздуха вдоль автомобильных дорог оказывает влияние не только процесс первичного пылеобразования (деструкция деталей автомобиля и дорожного полотна), но и вторичного. В специальных исследованиях [5, 6] установлено, что на границе проезжей части с интенсивностью движения 2000-2500 авт./ч концентрация взвешенных веществ составила 2,83 ± 0,51 мг/м³; на расстоянии 10 м ‒ 1,04 ± 0,12 мг/м³; на расстоянии 20 м ‒ 0,68 ± 0,15 мг/м³; на расстоянии 30 м ‒ 0,61 ± 0,10 мг/м³; на расстоянии 50 м ‒ 0,48 ± 0,09 мг/м³; на расстоянии 60 м ‒ 0,42 ± 0,09 мг/м³. Из приведённых данных следует, что рассеивание взвешенных частиц вдоль проезжей части подчиняется экспоненциальной зависимости (у = 0,4942+2,3309е^-0,1390х при Р=0,9982).

Установлено [5], что среднегодовой коэффициент износа дорожного покрытия для северо-западной климатической зоны составляет от 4 до 6 г/маш.-км (грамм на километр при движении одного автомобиля). Техническое обслуживание дорог в зимний период (обработка песком, использование шипованных покрышек шин) также способствует повышенному износу дорожного покрытия. Действующими в настоящее время нормативными документами установлено, что среднегодовой износ асфальтобетонных покрытий должен составлять от 0,38-1,0 мм при средней интенсивности движения на полосу 500 авт./сут., и 1,5-4,0 мм при интенсивности ≥ 7000 авт./сут.

Представленные в работах результаты [5, 6] свидетельствуют, что в окружающую среду Санкт-Петербурга ежегодно поступает от 84,327 до 85,047 тыс. т загрязняющих веществ при эксплуатационном износе дорожного полотна, при истирании протекторов шин выбрасывается от 18,18 до 18,32 тыс. т, а также около 2 тыс. т продуктов эксплуатационного износа тормозной системы автомобилей. Из этого следует, что примерно 81 % загрязняющих окружающую среду веществ приходится на продукты износа дорожного полотна.

Литературные данные [5, 6] по основному химическому составу продуктов эксплуатационного износа дорожного покрытия свидетельствуют, что 90 % продуктов износа дорожного полотна представлено алюмосиликатами, 3 % – ПАУ, полихлорбифенилами, диоксинами и фуранами, которые относятся к веществам высших классов опасности, обладающих канцерогенным эффектом.

Износ дорожного покрытия также зависит от грузоподъёмности автотранспортных средств. Причём ущерб, который наносит дороге грузовой транспорт, массой свыше 12 т, в 20000-50000 раз больше, чем вред от легкового автомобиля [7]. Согласно результатам оценки, приведенным в работе (Muschack, 1990), износ асфальта составлял 3,8 мг/маш.-км. В соответствии с данными Центрального статистического бюро (1998 г.), коэффициенты износа для транспортных средств малой грузоподъемности и большой грузоподъемности составили 7,9 и 38 мг/маш.-км соответственно (с учётом износа покрышек и тормозных колодок).

Однако следует отметить, в тех зонах, где в зимнее время широко применяются шипованные покрышки, показатели износа дорожного покрытия и концентраций ТЧ, связанных с ресуспендированием, являются значительно более высокими. Более того, в случае использования нешипованных покрышек показатели износа являются несущественными, по сравнению с ситуацией, когда используются шипованные покрышки (Sörme и Lagerkvist 2002, г.). Согласно результатам оценки, которые приводятся в работе (Lindgren, 1996), в среднем, на протяжении зимнего времени износ асфальта в Швеции составляет 24 г/маш.-км, хотя в соответствии с результатами оценки, которые приводятся в работе (Carlsson и др., 1995), использование более мягких шипов и более прочного асфальта позволило бы сократить данный показатель до 11 г/маш.-км. Согласно проведенным оценкам, усредненный коэффициент износа дорожного покрытия в Стокгольме составил от 4 до 6 г/маш.-км (Jacobsson и Hornwall, 1999). Процедуры технического обслуживания на протяжении зимнего времени в районах с холодным климатом, как например обработка песком в целях улучшения сцепления с дорожным покрытием (рассеивание песочной смеси на поверхности дороги) и использование шипованных покрышек, были признаны источниками высоких концентраций взвешенных в воздухе частиц, которые образуются в результате процесса, известного как «эффект наждачной бумаги» (Kupiainen и др., 2003).

Износ дорожного покрытия увеличивается вместе с уровнем влажности, и от 2 до 6 раз выше для влажной дороги, по сравнению с сухой (Folkeson, 1992). Кроме того, он также увеличивается после посыпания дороги солью, так как поверхность остается влажной на протяжении более продолжительного периода времени. Скорость транспортного средства, давление в покрышке и температура окружающего воздуха также оказывают влияние на интенсивность износа дорожного покрытия. По мере снижения температуры окружающего воздуха покрышки становятся менее упругими (эластичными), что приводит к увеличению интенсивности износа дорожного покрытия (Норвежский университет естественных и технических наук – NTNU, 1997) [4].

Анализ проблемы износа дорожного покрытия и влияющих на износ факторов показал, что на территориях городских агломераций не проводится постоянный учет загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду в результате эксплуатационного износа дорожного покрытия. Имеющиеся данные об износе асфальтового покрытия связаны с высокой степенью неопределенности, так как не учитывается использование шипованных покрышек, которое приводит в некоторых странах к высокой интенсивности износа дорожного покрытия. Очень уязвимым аспектом является вклад от ресуспендирования дорожной пыли. В рамках экспериментов, осуществляемых в аэродинамической трубе и на открытом воздухе, невозможно разделить только что выброшенные взвешенные частицы износа покрышек и тормозов, от ресуспендированного материала, причиной образования которого стали те же источники. Большинство представленных данных, были выведены на основе результатов исследований, которые проводились в сухую погоду при сухом дорожном покрытии. Очевидно, что водный слой на дороге и дождливая погода будут способствовать существенному сокращению выбросов взвешенных в воздухе частиц, что особенно касается износа дорожного покрытия и тормозов, так как подобные частицы могут улавливаться водой.

Таким образом, оценка влияния продуктов износа дорожного покрытия автомобильных дорог на приземный слой атмосферы городов представляет собой сложную и актуальную задачу. Учитывая особую опасность образования и поступления в приземный слой атмосферы продуктов износа дорожного полотна в летний период (в сухую и жаркую погоду) в дальнейших исследованиях нами поставлена задача комплексной оценки суммы загрязняющих веществ с учётом продуктов износа дорожного покрытия, шин и тормозных колодок.

Список использованных источников

1 Вольнов, А.С. О системном подходе к оценке влияния автотранспортных средств в процессе эксплуатации на экологию городов / А.С. Вольнов, Л.Н. Третьяк // Вестник Оренб. Гос. Ун-та. –2014. – №1. – С. 161-166.

2 Третьяк, Л.Н. Обеспечение экологической безопасности городов от влияния автотранспортного комплекса. / Л.Н. Третьяк, А.С. Вольнов, Е.М. Герасимов // Современные концепции научных исследований: сборник статей VII международной научно-практической конференции (г. Москва, 30-31 октября 2014 г.). – 2014. – С.152-156.

3 Дугельный, В.Н. К вопросу анализа основных факторов, влияющих на износостойкость асфальтобетона и объемы продуктов его износа / В.Н. Дугельный и [др.] // Донецкая академия автомобильного транспорта. Вестник Донецкой академии автомобильного транспорта. – 2013. – № 4. – С. 99-104.

4 Руководство ЕМЕП/ЕАОС по инвентаризации выбросов 2013. Общие руководящие указания по подготовке национальных инвентаризаций выбросов [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.eea.europa.eu/publications/emep-eea-guidebook-2013 – 12.02.2016.

5 Леванчук, А.В. Загрязнение окружающей среды продуктами эксплуатационного износа автомобильных дорог / Интернет-журнал Науковедение. Выпуск № 1 (20) / 2014. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/zagryaznenie-okruzhayuschey-sredy-produktami-ekspluatatsionnogo-iznosa-avtomobilnyh-dorog – 12.02.2016.

6 Леванчук, А.В. Гигиеническая характеристика воздушной среды в зоне влияния дорожно-автомобильного комплекса / Журнал «Медицина и образование в Сибири» [Электронный ресурс] Режим доступа: http://ngmu.ru/cozo/mos/article/text_full.php?id=1627 – 12.02.2016.

7 Из чего построены дороги / Интернет издание «За рулем.рф» [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.zr.ru/content/articles/833472-iz-chego-postroeny-dorogi-infografika/ – 13.02.2016.

 

6

 

Код для цитирования: Скопировать