Ругать российские дороги — наша давняя национальная традиция. Между тем у отечественных ученых нет недостатка в идеях, способных изменить ситуацию, а в недрах российских научно-исследовательских лабораторий разработаны поистине революционные материалы и технологии, некоторые из которых уже используются при строительстве магистралей. В нашей статье мы расскажем об истории асфальта, самого широко известного сегодня дорожного покрытия, а также о разработках зарубежных и отечественных ученых, позволяющих сделать его лучше.
Асфальт не то, чем кажется
В разговорной речи мы обычно называем асфальтом всем нам знакомое дорожное покрытие. На самом же деле при строительстве дорог применяется не сам асфальт, а асфальтобетонная смесь. Что касается «натурального асфальта», то по своему происхождению это природная минеральная смола, образующаяся из нефти и являющаяся разновидностью природного битума. Ее месторождения бывают двух видов.
- Пластовые отложения в районах неглубокого залегания нефти. Крупные пластовые отложения обнаружены в Канаде, Венесуэле, Аргентине, Франции, Израиле и Иордании.
- «Асфальтовые озера», образующиеся в виде коры на поверхности «нефтяных озер». Они встречаются реже. Самое большое находится на острове Тринидад в Карибском море. Его площадь около 40 Га, а толщина слоя асфальта до 40 метров. Подобные источники минеральной смолы обнаружены также в США, Венесуэле, Азербайджане, на севере острова Сахалин.
Самое необычное месторождение природного асфальта найдено в Мертвом море. Там ценная порода всплывает на поверхность воды отдельными кусками. Последний монолит массой более тонны был найден в 60-х годах прошлого столетия. Интересно, что в древности море так и называлось — Асфальтовое, а асфальт, добытый из него, сирийским.
Природный асфальт применялся в качестве строительного материала еще до нашей эры. В Древнем Египте им покрывали пол и стены амбаров для хранения зерна. Согласно Библии, при строительстве Вавилонской башни «земляная смола», как называли тогда асфальт, использовалась как связующее вещество при кладке каменных стен, а смолу из Мертвого моря якобы применял Ной для герметизации ковчега. Использовался природный асфальт и во многих других сферах, например, при мумифицировании, при производстве красок и гравюр, а позже в ранних опытах с фотографией. В конце XIX века на острове Тринидад в Карибском море была создана компания The Trinidad Lake Asphalt Company, которая и по сей день занимается добычей ценной природной смолы на озере Пич-Лейк. Этот сорт природного асфальта так и называется — Пич-Лейк и до сих пор находит свое применение.
Искусственный вместо природного
Сегодня так называемое «асфальтовое покрытие» делается из искусственного асфальта — асфальтобетона. Этот строительный материал представляет собой уплотненную смесь основы в виде щебня, песка, минерального порошка и добавленного к ней жидкого или вязкого нефтяного битума (прим. ред.: искусственный материал, полученный путем переработки нефти) как связующего материала. Виды современного асфальтобетона отличаются по:
- типу минеральной основы: щебень, гравий, песок;
- зернистости, в зависимости от величин наибольших частиц дробленой основы;
- температуре укладки, которая зависит от вида используемого битума.
Первые предприятия по производству асфальтобетона и, соответственно, первые дороги с таким покрытием появились сравнительно недавно. В Европе — в 1830-х годах: во Франции в городах Париж и Лион заасфальтировали тротуары на мостах. Не отставала от французской столицы и столица Российской империи. В 1839 году новое удобное и гладкое покрытие появилось на тротуарах в Санкт-Петербурге. Небольшой участок асфальтированного тротуара длиной около 100 м и шириной — полтора метра был проложен вдоль забора строящегося Исаакиевского собора с северной стороны. Покрытие прослужило несколько лет.
А в 1873 году под руководством российского архитектора и инженера Ивана Буттаца на Волге в Сызраньском уезде Самарской губернии рядом с месторождением природного асфальта было развернуто первое в Российской империи производство асфальтобетона. Он выпускался в форме брикетов для твердого дорожного покрытия. На месте укладки брикеты расплавляли в котлах. Кстати, этот метод применялся в России вплоть до 1920-х годов. Плавильные котлы стояли прямо на улицах, а по ночам, как рассказывал, вспоминая собственное детство, Глеб Жеглов — герой популярного детектива «Место встречи изменить нельзя» — возле них грелись беспризорники. Возвращаясь к истории первого российского производства асфальтобетона, стоит отметить, что благодаря своему отменному качеству материал из Сызрани быстро заменил зарубежные аналоги и стал применяться при строительстве дорог во многих больших городах России. В конце XIX столетия сызраньский асфальтобетон был удостоен нескольких медалей на выставках в Москве и Париже.
Магниты и окурки, или качества много не бывает
Когда речь заходит о качестве дорожных покрытий, на ум нередко приходят немецкие автобаны. Сеть скоростных автомагистралей Германии считается одной из лучших в мире. При этом существует расхожее мнение, что немецкие дорожники используют точно такой же асфальт, как и в других странах, а качество дорог обеспечивает тщательно уложенная педантичными немцами добротная «подушка», на которую уже раскатывается асфальт. Но только ли в «подушке» дело? Конечно, нет.
Немецкие инженеры и ученые находятся в постоянном поиске новых технологий и материалов для улучшения качества асфальта.
Уже несколько лет в Северном Рейне-Вестфалии существует специальный экспериментальный участок дороги длиной 1 километр, на котором проходят испытания новейших технологий и материалов. Там впервые был апробирован самовосстанавливающийся асфальт. Возможность самовосстановления материала обеспечивают магнитные элементы, добавленные в асфальтовую смесь. При появлении трещин в дорожном покрытии его подвергают индукционному нагреву (прим. ред.: метод бесконтактного нагрева электропроводящих материалов токами высокой частоты и большой величины) при помощи специального агрегата, в результате чего магнитные элементы буквально стягивают трещины.
Неустанно работают над проблемами улучшения асфальтовых покрытий и ученые других стран, выдвигая иногда просто-таки революционные идеи. Так, например, одна инновационная технология, разработанная исследователями из Лаборатории строительной инженерии Университета Гранады в сотрудничестве с Университетом Болоньи, решает сразу две проблемы:
- создание более прочной асфальтобетонной смеси;
- утилизации сигаретных окурков и отработанного дорожного покрытия.
С появлением сигарет с фильтром окурки стали преобладающей формой отходов, и по прогнозам в 2026 году их количество составит около 9 триллионов (!) штук в год. Бо́льшая часть этих отходов не утилизируется должным образом и представляет серьезную экологическую проблему. Испано-итальянская группа инженеров предложила альтернативу утилизации окурков от любых видов сигарет. Исследователи использовали эти отходы в качестве добавки при производстве дорожного покрытия.
В Болонском университете разработали и изготовили различные виды гранул из сигаретных фильтров, состоящих из целлюлозных волокон и PLA-пластика (прим. ред.: биоразлагаемый полиэфир, популярный в 3D-печати). Во время производства асфальта при высоких температурах высвобождаются переработанные целлюлозные и пластиковые волокна из окурков сигарет. Эти частицы действуют как армирующее вещество, повышая устойчивость смеси к растрескиванию. Проведенные на дорогах Италии эксперименты продемонстрировали, что асфальт, изготовленный на 40% из переработанного материала, получаемого с изношенных дорог и гранул из окурков, гораздо меньше подвержен образованию трещин.
Сможет ли российский асфальт стать «неубиваемым»?
В нашей стране качество асфальта на дорогах особенно актуально из-за сложных климатических условий. Сильные морозы зимой и жара за 40° летом, а также резкие суточные колебания температуры воздуха диктуют свои высокие требования к эксплуатационным качествам асфальтового покрытия. Поэтому в России всегда высок спрос на инновационные технологии в области дорожного строительства.
Одна из последних российских разработок создана в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М.Губкина. Здесь на кафедре технологии переработки нефти был разработан модификатор МСБ к асфальтобетонной смеси, позволяющий избежать образования трещин и колейности, а также повышающий сцепление дорожного полотна с шинами. Асфальтовое покрытие с применением добавки, разработанной губкинцами, уже прошло испытание на экспериментальном участке дороги длиной в 1 километр в течение пяти лет.
«Наша добавка сделана на основе резиновой крошки, специальным образом активированной и обработанной. Ее изготавливают из старых покрышек. В состав модификатора входит также до семи различных компонентов. Каждый из них обладает определенной функцией и улучшает разные свойства битума и, в конечном счете, асфальта», — рассказала Елена Чернышева, доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии переработки нефти» РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина.
Разработанная в университете добавка производится в виде гранул. Такая форма обеспечивает равномерное распределение присадки по всему объему битума, что значительно повышает качество асфальтобетона, решает проблему образования колейности.
«Асфальт с нашей добавкой был уложен на опытном участке дороги Иваново-Шуя более пяти лет назад. Это покрытие не менялось, все это время оно проходило испытания. Мы продолжали эксперименты: оптимизировали состав, изменяли размер гранул. Два года назад был уложен второй участок асфальта с нашим модификатором на более нагруженной трассе — Иваново-Ярославль, где проходит более 10 тысяч автомобилей в сутки. И там тоже испытания прошли удачно», — рассказали разработчики.
В ближайших планах у ученых из Губкинского университета рассмотреть поведение асфальта с модификатором в регионах с различными климатическими условиями. Необходимо учесть, что смесь с добавкой МБС имеет свои особенности при укладке в связи с тем, что вязкость готового асфальта получается выше, чем у обычного. Поэтому его нельзя долго хранить и нужно быстро укладывать с применением более тяжелой техники. Есть еще множество нюансов, которые могут потребовать особого подхода в применении новой разработки в разных климатических поясах.
Пока модификатор МБС выпускается совсем небольшими партиями. Что же касается перспектив его производства в промышленных масштабах, то согласно расчетам разработчиков, для того чтобы построить линию примерно на тысячу тонн в год, необходимо порядка 150 миллионов рублей.
Выше качество, меньше битума
С совершенно другой стороны к проблеме улучшения качества асфальтового покрытия подошли исследователи из Пермского политехнического университета. В состав асфальтобетонных смесей входит минерал хризотил-асбест, улучшающий прочность асфальта. Однако в процессе измельчения щебня высвобождаются свободные волокна хризотил-асбеста. Его избыток приводит к обратному эффекту, снижая в конечном итоге качество дорожного покрытия. Кроме того, излишнее содержание этого минерала в основе смеси увеличивает расход битума при изготовлении асфальта. Это заметно повышает стоимость конечного продукта.
Пермские ученые нашли способ удаления избытка волокон хризотил-асбеста из щебня на этапе его сушки — обязательной части технологического процесса изготовления асфальтобетонной смеси. Метод регулирования количества волокон минерала, предложенный пермяками, основан на увеличении объема подаваемого воздуха в сушильный барабан. В результате в поток воздуха захватываются более крупные частицы хризотил-асбеста, и общее количество удаляемого в процессе сушки минерала увеличивается.
«В Уральском регионе встречаются месторождения каменных материалов, в которых есть включения хризотил-асбеста. Для промышленной добычи асбеста они не годятся. Но такую породу можно использовать для получения асфальтобетона с применением нашей технологии.
При производстве асфальта из такого щебня образуется большое количество волокон хризотил-асбеста. Соответственно, требуется больше вяжущего материала, то есть резко возрастает потребление битума. Для того чтобы этого избежать, мы придумали ряд технических решений, с помощью которых можно регулировать количество волокон хризотил-асбеста в составе асфальтобетонной смеси», — рассказал разработчик технологии Константин Пугин, доктор технических наук, доцент кафедры «Автомобили и технологические машины» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Исследования проводились на базе компании по производству асфальтобетона в Альметьевске. Раньше предприятию приходилось возить каменные материалы с нужным составом из карьеров, расположенных на расстоянии 300–400 км. Теперь же можно использовать щебень из карьера в 20–30 километрах от производства. Ранее эта порода считалась непригодной для изготовления асфальта. Технология, разработанная в Перми, позволяет получать из этого камня материал с заданным количеством хризотил-асбеста и далее использовать его в производстве асфальтобетона.
Автор текста Наталья Сидорова
