Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СНЕГА ИСПОЛЬЗУЕМОГО ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВРЕМЕННЫХ ЗИМНИХ ДОРОГ ИЗ СНЕГА

Шитый В.П. 1 Шаруха А.В. 1 Спиричев М.Ю. 1 Сибагатуллин Т.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет»
Строительство временных зимних дорог из снега в районах Крайнего Севера и Сибири при всей затратности в настоящее время является экономически выгодным и экологически безопасным. Короткий период эксплуатации этого типа дорог требует внедрения современных технологий, позволяющих продлить период эксплуатации за счет сокращения сроков возведения. Влажность (содержание жидкой фазы) - один из важнейших параметров снега напрямую влияющий на скорость строительства и получаемую прочностную характеристику дороги. Поэтому становиться, очевидно, необходимость постоянного мониторинга влажности снега в режиме реального времени в процессе строительства временных зимних дорог из снега. Существующие методики определения влажности снега не могут обеспечить непрерывного мониторинга влажности снега. Модернизация процесса измерений влажности снега в процессе строительства временных зимних дорог из снега, основанная на внедрении квантово-оптического влагомера с когерентным, монохроматическим фотодиодом, способным обеспечить непрерывное измерение влажности снега, поможет в автоматизации процесса определения влажности снега при строительстве.
технологии строительства снеголедовых дорог
временные зимние дороги
увлажнение снега
уплотнение снега
Механизация строительства дорог
снег
1. Карнаухов Н.Н., Мерданов Ш.М., Оржаховский В.Г. Оптический влагомер снежной массы//Патент России № 2291414.2007. Бюл. № 1.
2. Мерданов Ш.М. Научные основы создания комплексов машин для строительства временных зимних дорог в районах Севера и Сибири. [Текст]: дис. … докт. техн. наук: 05.05.04 / Ш.М. Мерданов. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - 327 с.
3. Мерданов Ш.М., Закирзаков Г.Г., Шитый В.П., Анфилофьев А.С. Устройство для уплотнения снега //Патент России №2373326.2009 Бюл. № 32
4. Мерданов Ш.М., Спиричев М.Ю., Шаруха А.В., Егоров А.Л. Технология строительства снеголедовых дорог // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5; URL: www.science-education.ru/111-10427 .
5. Мерданов Ш.М., Шаруха А.В., Шитый В.П., Виноградов Е.И., Немирович Я.Е. Устройство для уплотнения снежного полотна//Патент России № 2495977.2013 Бюл. № 29.
6. Проектирование, строительство и содержание зимних автомобильных дорог на снежном и ледяном покрове в условиях Сибири и Северо-Востока СССР. – Омск, 1987. – С. 3-4.
7. Шаруха А.В. Обоснование параметров вибрационного рабочего органа снегобрикетирующей машины. [Текст]: дис. … канд. техн. наук: 05.05.04 / А.В. Шаруха. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. - 176 с.
8. Шитый В.П., Шаруха А.В., Мерданов Ш.М., Сысоев Ю.Г. Обоснование целесообразности создания машин совмещающих технологические операции при строительстве снеголедовых дорог // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3; URL: www.science-education.ru/117-13713 (дата обращения: 25.12.2014).
9. Kawashima K., Endo T., Takeuchi Y. A portable calorimeter for measuring liquid-water content of wet snow/Editor: D.M. McClung//Papers from the International Symposium on Snow and Avalanches held at Chamonix Mont-Blanc, France, 26-30 May 1997, Annals of Glaciology Volume 26. P. 103-106
10. The International Classification for Seasonal Snow on the Ground : Published in 2009 by the International Hydrological Programme (IHP) of the United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization (UNESCO)/ Prepared by the ICSI-UCCS-IACS Working Group on Snow Classification. – Paris 80c.

Возведение временных зимних дорог из снега (ВЗДиС) также,  как и автомобильных дорог капитального типа выполняется по регламентированной технологии [4]. Технологические параметры машин и механизмов, в частности, величина внешней нагрузки, технологическая скорость возведения ВЗДиС, определяются в зависимости от термических и физико-механических свойств снега, из которого возводиться полотно дороги[2, 5, 7]. Среди термических свойств снега значимыми факторами для строительства ВЗДиС являются его температура и влажность – содержание жидкой водной фазы.

Численное значение содержания объемной водяной фазы в снегу можно измерить различными методами, эти методы можно классифицировать на: центрифугирование, диэлектрический метод, растворение, и калориметрические методы [1, 9]. Некоторые исследователи протестировали другие методы, в том числе использование объемного расширения при замерзании и использование разбавления раствора воды в снежном покрове[10]. Методы определения влажности приведены в таблице 1.

В настоящее время не существует регламентирующих документов по выбору метода определения влажности, в разные годы были исследованы и апробированы различные методы.

Таблица 1

 Методы определения жидкой фазы в снеге

МЕТОД

ПРИНЦИП РАБОТЫ

АВТОРЫ

ГОД

Плавильной калориметрии

При внесении горячей воды в снег, измеряется энергия необходимая для плавления массы льда

Radok

Fisk D.J.

Ohmura

Kawashima K.

1961

1982, 1983

1980

1998

Вымораживательной калориметрии

Измеряется энергия, потраченная на замораживание жидкой фазы в снеге

Leaf

Fisk D.J.

Boyne H.S., Fisk D.J.

Jones H. G.

1966

1982, 1983

1987, 1990

1983

Спиртовая калориметрия

Измеряется температура при растворении снега в метаноле при 0°С

Fisk D.J.

1983, 1986

Растворение

Измерение уменьшения электрической проводимости раствора за счет разбавления жидкой фазы снега

Davis

Boyne H.S., Fisk D.J.

1985

1987, 1990

Диэлектрическая постоянная

Измерение емкостное сопротивление варьируемого от разницы диэлектрических постоянных жидкой фазы и льда

Boyne H.S., Fisk D.J.

Denoth A.

Ambach, Denoth A.

Schneebeli M.

1987, 1990

1994

1974

1998

Замораживание до кристаллизации

Замораживание до точки кристаллизации жидкой фазы после добавления солевого раствора

Bader

Morris E.M.

1950

1981

Центрифугирование

Центробежная сила используется для разделения жидкой воды от льда в образце снега

Kuroda, Hurukawa

Jones H. G.

1954

1979

На основе существующих методов создано большое многообразие измерительных приборов для определения влажности, в качестве мобильного устройства определения влажности при строительстве ВЗДиС возможно использование следующих влагомеров: портативный калориметр, оптический влагомер и прибор, работающий на основе диэлектрической проницаемости.

Портативный калориметр «Endo-type, snow-water, contentmeter» разработанный Katsuhisa Kawashima, ToruEndo, YukariTakeuchi (рис. 1), позволяет произвести замеры в течении двух минут, небольшим размером и весом [9].

Ингалятор.png

Рисунок 1 - Портативный калориметр: 1 - Теплоизолирующий материал, 2 - термистор термометр, 3 - металлический контейнер.

Прибор для определения влажности с использованием диэлектрических свойств снега, предложен A. Denoth и I. Wi1he1myn, представляет собой две пластины, погружаемые в снег с известной плотностью, пластины измеряют электрическую проницаемость на фиксированной частоте 20 МГц (рис. 2).

Рисунок 2. Прибор для определения влажности на основе диэлектрических свойств снега

Оптический влагомер, разработанный Оржаховским В.Г.[1] основан на световой проницаемости снега (рисунок 3).

Рисунок 3. Оптический влагомер: 1-емкость, 2-крышка, 3-светочуствительный элемент, 4- снег, 5-стеклянная пластина, 6-источник излучения, 7-реостат, 8-вольтметр

Существующие приборы для определения влажности снега, при высокой точности измерения и простоте использования дают лишь частную картину и носят статический характер. Для технологического процесса строительства ВЗДиС необходимо создание влагомера способного в локальной точке создаваемого дорожного полотна в режиме реального времени давать дифференцированную оценку влажности в единицу времени, для соответствия строительным нормам и правилам [6].

Использование портативного калориметра (рис. 1) в технологическом процессе невозможно из-за необходимости цикличности измерений. Прибор для определения влажности (рис. 2) до сих пор не реализован, так как на показания устройства влияют стратиграфические свойства снежного покрова,а также вариативность значений диэлектрической проницаемости в виду изменяющейся плотности между пластинами.

Поставленной задаче наиболее соответствует метод измерения заложенный в конструкцию оптического влагомера, так как в процессе снятия данных о влажности снега, не происходит изменение физико-механических свойств исследуемой среды, что позволяет снизить инструментальную погрешность измерения. Методика проведения измерений предложенным влагомером предполагает проводить циклические измерения в замкнутом светонепроницаемом объеме, из-за возникающей погрешности от солнечного света, что является существенным недостатком.

Перспективным видится модернизация процесса измерений влажности снега, при использовании принципа рассмотренного в конструкции оптического влагомера. Инновационным решением процесса измерения влажности является применение источника когерентного, монохроматического излучения и фотодиода, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет, за счёт чего образуется заряд и ЭДС.

Для получения конструктивных параметров такого квантово-оптического влагомера (рис. 4) необходимо определить рабочие характеристики фотодиода и источника квантового излучения, на основе расчетных значений вольтаической и токовой чувствительности по энергетическому, световому потокам соответственно.

                     

                   

где:  – токовая чувствительность;

 – световой поток;

 – освещенность;

 -вольтаическая чувствительность.

При изменении влажности снежной массы будет изменяться её световая проницаемость, как следствие произойдёт изменение интенсивности светового потока попадающего на поверхность фотодиода, значение токовой и вольтовой чувствительности измениться соответственно, по изменению можно будет судить о влажности снега.

После создания опытного образца квантово-оптического влагомера и проведения тарировки разработанного прибора, изменение значений регистрируемых вольт-амперных характеристик будет указывать на изменение величины влажности в реальный момент времени.

Рисунок 4. Квантово-оптический влагомер:

1 - фотодиод;2 - выводы фотодиода; 3 – корпус влагомера;4 - условно обозначен снег;5 - условно обозначено прохождение светового потока через снег; 6 - источник направленного когерентного излучения

Достоинством применения такого прибора является возможность автоматизации процесса определения влажности снега при строительстве ВЗДиС.

Устройство представляет собой две пластины, на одной из пластин размещен источник монохромного когерентного излучения на другой пластине размещен фотодиод. Пластины расположены на рабочем органе термоувлажняющей строительно-дорожной машины и погружены в перемешанный измельченный снег. Влагомер регистрирует значение влажности снега в реальный момент времени, в случае несоответствия значения влажности снега необходимому для технологического процесса возведения дорожного полотнаВЗДиС, необходимо изменить влажность снега специализированной, строительной, термоувлажняющей машиной. Термоагрегат - машина для увлажнения снега представляющая собой устройство для подачи воды или пара, работающий в тандеме с перемешивающим устройством, изменяет параметры увлажняющего рабочего органа в сторону увеличения содержания жидкой водяной фазы в снеге[3]. Выполнения таких технологических операций возможно специализированными устройствами на базе универсальных строительно-дорожных машин, современными комбинированными машинами, совмещающими технологические операции, либо комплексом строительно-дорожных машин для возведения ВЗДиС [8].

В результате технологического прохода комплекса строительно-дорожных машин целинный снег преобразуется в подготовленный строительный материал, представляющий собой измельченную и увлажненную снежную массу с требуемыми физико-механическими свойствами. Благодаря равномерному измельчению, перемешиванию ледяных кристаллов и наличию жидкой водяной фазы на границе зерен, после приложения внешней нагрузки, в снежной массе начнутся процессы конструктивного метаморфизма, позволяющие набрать максимальную прочность полотна снеголедовой дороги.

Рецензенты:

Захаров Н.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Сервис автомобилей и технологических машин», ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Тарасенко А.А., д.т.н., профессор, директор Регионального отделения Ассоциации инженерного образования России, ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.


Библиографическая ссылка

Шитый В.П., Шаруха А.В., Спиричев М.Ю., Сибагатуллин Т.А. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СНЕГА ИСПОЛЬЗУЕМОГО ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВРЕМЕННЫХ ЗИМНИХ ДОРОГ ИЗ СНЕГА // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16983 (дата обращения: 24.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252