Эта статья немного неформатная для канала: она посвящена не автомобилям или их производству, а тому, по чему они ездят - автодорогам. А ещё точнее - одному из используемых для их строительства материалов, в своё время широко применявшемуся в нашей стране, но с тех пор полностью вышедшему из употребления. Зря или нет - дискуссия ведётся до сих пор.
Сразу отмечу во избежание недопонимания - речь здесь пойдёт не про дороги, вымощенные готовыми заводскими бетонными плитами, которые используются только в качестве временных или в сельской местности в условиях малой интенсивности транспортного потока -
- а про полноценные междугородные автомагистрали с покрытием из литого армированного бетона на основе портландцемента, построенные по той же технологии, что и взлётно-посадочные полосы современных аэродромов. Это совершенно разные типы дорожного покрытия, из общего у которых - только слово "бетон".
Читатели старшего поколения наверняка вспомнят, что когда-то "бетонкой" называли изначальный вариант Московской кольцевой автодороги, построенный во второй половине 1950-х годов и просуществовавший до реконструкции в середине 1990-х:
Однако сама по себе эта информация, поданная без более широкого контекста, мало о чём говорит - из неё невозможно понять, насколько типовым было использование бетона в качестве "дорожной одежды" в те годы, а также хорошо это или плохо по сравнению с более привычным асфальтом. Данная статья как раз и призвана дать читателю эту самую "более широкую перспективу".
В первую очередь, конечно же, следует сказать, что строительство дорог с бетонным покрытием не было исключительно советской практикой. Более того - в большинстве стран массовое загородное дорожное строительство началось именно с бетонных трасс, и лишь со временем наметился переход на асфальт.
При этом, что интересно, сам по себе асфальт - более старый вариант дорожного покрытия, использование которого в городах было хорошо освоено уже в XIX веке. Загородные дороги в это время были в лучшем случае щебёночными, и длительные путешествия по ним больше напоминали приключение, чем повседневную поездку.
Первые робкие попытки использования портландцемента для дорожного строительства были сделаны в Шотландии в конце 1870-х годов. Дорога получилась идеально гладкой по меркам того времени, однако без температурных швов и железной армирующей решётки покрытие оказалось очень хрупким и быстро рассыпалось на куски - бетон, в отличие от асфальта, не обладает эластичностью, позволяющей компенсировать его деформацию при изменении температуры.
Чуть более совершенная технология была использована американцами в 1893 году на улице Южная - Фицхью (South Fitzhugh) в Рочестере, штат Нью-Йорк; в качестве армирующего материала был использован щебень, уложенный на цементном связующем - что в теории должно было сделать покрытие прочнее, чем обычная щебёночная дорога. Увы, в климате восточного побережья и она прослужила всего два с половиной года, после чего покрылась температурными трещинами и стала рассыпаться, так что городские власти приняли решение перекрыть экспериментальное покрытие слоем привычного асфальта.
Судя по всему, первой действительно удачной бетонной дорогой стала Корт-Авеню (Court Avenue) в Беллефонтейне, штат Огайо (Bellefontaine, Ohio), сооружённая Джорджем Бартоломью (George Bartholomew) в 1891-1894 годах (иногда пишут, что в 1891 году были проведены первые опыты, а сама улица залита бетоном в 1893-1894). Этот участок длиной 67 м и шириной 3 м перед зданием окружного суда сохраняется в оригинальном виде вплоть до настоящего времени и является местной достопримечательностью:
Как можно убедиться, секретом долговечности бетонного покрытия стало его разбитие на отдельные участки - так называемые захватки (slabs), разделённые температурными швами, компенсирующими изменение их размеров при нагреве и охлаждении (их могут называть и "плитами", но я сознательно избегаю такой терминологии чтобы избежать путаницы с бетонными плитами заводского изготовления). Общая толщина слоя бетона составляла 6" (150 мм), из которых нижние 100 мм имели наполнение из крупного щебня, а верхний слой - из мелкого. Размер отдельных захваток составлял всего 6 на 8 футов (1,8 на 2,4 м), что было обусловлено использованием небольших ручных шнековых бетономешалок и малым сроком жизни бетонной смеси тех лет. Друг от друга захватки отделялись бумагой, пропитанной дёгтем.
К 1910 году общая протяжённость дорог с бетонным покрытием в США составляла всего лишь 40 км, однако в дальнейшем их популярность резко возросла в связи с началом массовой автомобилизации. Лучшим из того, что могло в то время предложить массовое дорожное строительство, был так называемый макадам, состоящий из крупного щебня, в мокром виде расклиненного более мелкой фракцией - и очень быстро выяснилось, что он категорически не годился для нового вида транспорта, поскольку быстро разрушался несущимися по дороге "безлошадными экипажами" и очень сильно пылил.
В поисках более совершенного вида дорожного покрытия был проведён целый ряд экспериментов. Например, в 1909 году в штате Мичиган была сооружёна опытная кольцевая дорога из различных типов покрытия, включая брусчатку, деревянные блоки, гранитные плиты и бетон, для ускоренных испытания которых использовался так называемый Paving Determinator - устройство, состоящее из колеса с железным ободом и имитатора подкованных лошадиных копыт:
Наиболее пригодным для использования материалом по итогам был признан именно бетон на основе портландцемента (всё ещё без армирования), из которого впоследствии в округе Уэйн была построена первая загородная автомобильная дорога с твёрдым покрытием. Также в феврале 1914 года в Чикаго была проведена Национальная конференция по строительству бетонных дорог (National Conference on Concrete Roadbuilding), по итогам которой был составлен первый свод правил их сооружения. На ней же были выработаны эмпирическая формула для определения толщины дорожного покрытия и целый ряд технологических решений, предотвращающих раскрашивание краёв захваток - вроде увеличения их толщины и дополнительного усиления поперечных швов при помощи стальных штырей. Оказалось, что при соблюдении этих мер толщину основного слоя бетона можно уменьшить на 1-2" (25...50 мм), а также увеличить расстояние между поперечными швами.
Впрочем, эксперименты с различными способами строительства дорог продолжались и далее, пока проведённые в 1922-1923 годах в Иллинойсе так называемые Дорожные испытания Бэйтса (Bates Road Test), в которых было задействовано 78 различных типов дорожного покрытия, окончательно не показали убедительное превосходство бетона над брусчаткой и асфальтом. И если в 1912 году протяжённость бетонных дорог в США только-только перевалила за 500 км, то в 1927 году их было уже почти 50 000 км. Для дорожного строительства начали применяться рельсовые бетоноукладчики, разборные рельсы которых также использовались в качестве опалубки для бетона. Толщина покрытия достигала 150...250 мм, часто с утолщением на краях захваток (от которого позднее отказались), а поперечные швы располагались через каждые 3...3,7 м и армировались продольными стальными штырями (с 1917 года).
Данная технология оставалась актуальна вплоть до начала 1950-х, когда в американском дорожном строительстве произошёл очередной качественный скачок.
К середине 1950-х в обиход постепенно начали входить дороги с непрерывно армированным бетонным покрытием (CRCP), которые укладываются в виде непрерывной ленты без поперечных швов с пролегающей по всей длине дороги продольной арматурой. Для их строительства были разработаны гигантские, шириной сразу с несколько полос, самоходные гусеничные бетоноукладчики со скользящей опалубкой, закреплённой на самом укладчике и "на лету" превращающей кучу цемента в аккуратно отформованный участок дороги. Благодаря этому удалось увеличить производительность сразу в 10 раз по сравнению с использовавшимися ранее рельсовыми бетоноукладчиками, а команду самого бетоноукладчика - сократить в четыре раза, с сотни и более до примерно 25 рабочих.
В процессе эксплуатации такой дороги в ней естественным образом возникают поперечные температурные трещины, расположенные через каждые 1...1,5 м. Однако благодаря работающей на растяжение сплошной продольной арматуре, передающей усилие с одного участка покрытия на другой, они не расходятся более, чем на 0,5 мм, и никак не влияют на её рабочие свойства. Благодаря отсутствию швов непрерывно армированные дороги более тихие и комфортные по сравнению с обычными "бетонками", имеют очень большой ресурс даже при высокой нагрузке - но и обходятся заметно дороже в строительстве и эксплуатации.
Первые эксперименты с этой технологией проводились ещё в конце 1930-х - середине 1940-х, но по-настоящему широко задействована она оказалась при строительстве Интерстейта - Национальной системы межштатных дорог имени Эйзенхауэра, начатом в 1956 году (и да, естественно, в Штатах и до этого были междугородные шоссе - но они не образовывали цельной системы с единообразными стандартами; автомагистрали системы Интерстейт имеют обозначения, начинающиеся с буквы I, более старые федеральные - US). 60% из составлявших её 67 тыс. км дорог (сегодня уже почти 80 тыс. км) было изначально построено именно таким образом - хотя вполне встречались и обычные бетонные дороги с поперечными швами:
В Национальную систему дорог входят межштатные магистрали (Interstate highways), общештатные магистрали (US numbered highways-routes) и внутриштатные магистрали (Stateroutes). Наиболее совершенной частью
Национальной системы являются межштатные магистрали (так называемые хайвеи или фривеи).
Все их пересечения с другими дорогами выполнены в разных уровнях. Проезжие части движения в разные стороны разделены высоким бетонным отбойником либо широким газоном. Входы и выходы на другие дороги или улицы устроены только в правых карманах по ходу движения. В начале входов на фривей имеется светофорное регулирование, позволяющее управлять загруженностью фривея в пиковые часы. На самом же фривее нет ни одного светофора, поскольку нет перекрестков в одном уровне.
Межштатные магистрали образуют сетку на всей территории США. Так, побережье Тихого и Атлантического океанов соединяют фривей I-90 протяжением 4861 км от Сиэтла до Бостона и фривей I-10 протяжением 3960 км от Лос-Анджелеса до Джексонвилла. С севера на юг через всю страну проходят на востоке фривей I-95 от границы с Канадой до Майами протяжением 3090 км и на западе фривей I-5 от г. Блэйна до г. Сан-Диего – 2210 км
– Радовский Б.С. Цементобетонные покрытия в США - конструкции, Автомобильные Дороги, 2015, № 2, c. 48-60
Сегодня около 100 тыс. км американских дорог всё ещё имеет бетонное покрытие того или иного типа, в основном на направлениях с наиболее интенсивным движением. Примерно половина из них приходится на многополоски федеральной системы Интерстейт, а большая часть прочих - ведёт к железнодорожным терминалам, морским и речным портам, аэропортам и т.п. объектам. В зависимости от использованной при постройке технологии все они делятся на три типа:
- JPCP (Jointed plain concrete pavement) - без арматурной сетки в самих захватках, с расстоянием между поперечными швами 4...6 м. Швы дополнительно усилены продольными соединительными штырями (dowel bars). Они передают только вертикальные (возникающие при переезде колеса с одного элемента дороги на другой) и поперечные силы, но не мешают температурному расширению самого бетона, так как зафиксированы в нём только с одной стороны шва, а с другой - покрываются битумом, плёнка которого не даёт бетону сцепиться с поверхностью штыря, или же на него перед заливкой устанавливается пластиковый колпачок. Такие бетонные дороги наиболее широко распространены, но строятся обычно на менее нагруженных направлениях.
Раньше через каждые несколько обычных швов, компенсирующих сжатие бетона при охлаждении, предусматривали швы расширения, представляющие собой разрыв покрытия дороги шириной от 20 мм и более, заполненный эластичным материалом. Сегодня от их использования в основном отказались, частично передав их функции швам сжатия благодаря особому их устройству (которые, таким образом, стали выполнять обе роли - шва сжатия и шва расширения). На современных дорогах швы расширения можно увидеть только на мостах, путепроводах и подобных сооружениях (в том числе и с асфальтовым покрытием - основание-то всё равно бетонное).
- JRCP (Jointed reinforced concrete pavement) - с армирующей сеткой в самих захватках и поперечными швами через каждые 7,5...9 м, в некоторых случаях до 12 м. Помимо более старых частей Интерстейта, встречаются только в некоторых штатах - например, их очень любили в Индиане. Так как редко расположенные швы сильно нагружены, а сами захватки при этом имеют склонность к появлению поперечных трещин (которые в этом случае ничто не сдерживает от разрастания ввиду отсутствия внутри слоя бетона сплошной продольной арматуры), уже к концу 1990-х считались устаревшим типом.
- CRCP (Continuously reinforced concrete pavement) - непрерывное армирование работающей на растяжении продольной арматурой, без поперечных швов. Сегодня их продолжают массово строить в Техасе, Иллинойсе и ещё нескольких штатах. С другой стороны, в некоторых других штатах их сооружение вообще не допускается - например в Миннесоте, где они сооружались только с 1963 по 1970 год и плохо себя показали в местном климате. В Колорадо строительство непрерывно армированных бетонных дорог также считается нецелесообразным с середины 1960-х.
За пределами Штатов бетонные загородные автомагистрали начали сооружать примерно с 1930-х годов. В частности, именно по этой технологии были построены при нацистах знаменитые немецкие "автобаны":
Характерной особенностью немецких и австрийских бетонных дорог послевоенной постройки является наличие двух слоёв покрытия с различными характеристиками - более дорогой материал верхнего слоя имеет повышенную шероховатость, обеспечивающую лучшее сцепление с шинами, и пониженную шумность. В остальном они по большому счёту подобны американским.
В Великобритании пик дорожного строительства пришёлся на 1960-е и 1970-е годы, и до сих пор немалое количество автомагистралей (~4%) имеет бетонное покрытие, в особенности на восточном побережье и графстве Йоркшир (автору самому довелось поездить по некоторым из них):
Так что МКАД и другие построенные в СССР дороги с бетонным покрытием великолепно вписывались в общемировые тенденции того времени.
Если не считать дореволюционные эксперименты, первым серьёзным опытом в этой области у нас стало сооружение дорог на внутризаводских территориях Горьковского автозавода в начале 1930-х. Массовое же строительство началось лишь в 1950-х, после появления специальных сортов цемента и отечественных рельсовых бетоноукладчиков Д-181, Д-182 и Д-195. В начале 1970-х в США закупили машины CMI Autograde на гусеничном ходу, с помощью которых, в частности, была сооружена трасса Москва - Волгоград. Впоследствии их лицензионное производство под обозначениями ДС-100 и ДС-110 было развёрнуто на Брянском заводе дорожных машин:
Общая протяжённость дорог с бетонным покрытием в СССР составляла около 10 тыс. км, хотя в первую очередь эта технология использовалась при строительстве взлётно-посадочных полос аэродромов. Типовая толщина покрытия составляла 220 мм на подушке из песка толщиной 200 мм, либо 150 мм из укреплённого цементом грунта - что по современным меркам считается недостаточным для дороги с высокой интенсивностью движения. Тем не менее, несмотря на это и множество конструктивных недочётов, вроде отсутствия морозостойкого слоя и дренажа или наличия участков со склонным к образованию пучин грунтом, общий срок службы построенных в конце 1950-х - 1970-х годах дорог с цементобетонным покрытием до прихода в аварийное состояние составил 50 и более лет в климате средней полосы России.
Например, на построенном в 1957 года участке Копти - Вертиевка трассы Москва - Киев появление критических дефектов было отмечено только к 2006 году. Первые же 10-15 лет после строительства бетонные дороги пребывали в идеальном состоянии и вообще не требовали какого-либо обслуживания. При капитальном ремонте в 2000-е годы их разрушали виброрезонансным методом, дробя на отдельные бетонные зёрна размером 25...100 мм, и прикатывали катком в несколько проходов, получая в результате идеальное основание для строительства современной асфальтированной дороги. Многие из лучших автомагистралей России и сопредельных стран в своём основании имеют советские дороги с бетонным покрытием.
Последние цементобетонные автомагистрали в стране были построены в начале 1990-х, непосредственно перед развалом СССР - в их числе трассы Тирасполь-Бендеры-Кишинёв-Бельцы (1973-1986) и Кишинёв - Чимишлия (1985-1994, фактически достроена до села Порумбрей):
Почему же от этой технологии впоследствии отказались ?
В первую очередь нельзя не отметить, что сооружение бетонной дороги обходится на 70...80% дороже, чем такой же с асфальтовым покрытием, а по некоторым данным - даже примерно вдвое. Особенно дорого обходятся дороги с непрерывным армированием, на сооружение которых уходит много стальной арматуры (и да будут прокляты те перестроечные деятели, которые писали и говорили, что в СССР было перепроизводство стали - и в то же самое время требовали хорошие автомобильные дороги, построить которые без массовости производства стали и её достигнутой за счёт него низкой стоимости в принципе невозможно !). Кроме того, бетон имеет большую импортную составляющую - точнее, не цемент сам по себе, а морозостойкие и пластифицирующие присадки к нему, которые и обеспечивают высокое качество покрытия американских фривеев и европейских автобанов. Попытки замены более дешёвыми сортами заканчиваются плачевно - да и в целом строительство цементобетонных дорог требует тщательного соблюдения технологии и применения целого ряда "ноу-хау", выработанных десятилетиями практики в этой области.
Для бетонных дорог с поперечными швами характерна повышенная шумность и вибрация, возникающая при перекатывании колеса через шов. Если шов недостаточно герметичен и через него просачивается вода, между отдельными захватками может образовываться "ступенька" высотой до 1,5...2,5 мм, а при низком качестве покрытия - и 3...4 мм, что в свою очередь способствует дальнейшему разрушению дороги (для предотвращения этого такие "ступеньки" приходится регулярно устранять фрезерованием). Грубые ошибки при строительстве цементобетонных дорог могут приводить к весьма впечатляющим, а часто и просто опасным, дефектам - например, возникающему при сильном нагревании вспучиванию дорожного покрытия в районе переставшего выполнять свои функции из-за засорения мелким гравием шва расширения (blowup), в результате которого порой образуется трамплин высотой до полуметра:
Кроме того, асфальт быстрее укладывается, не требует времени на отверждение (по нему можно запускать движение сразу после прохода катка - в то время, как бетон даже летом набирает эксплуатационную прочность не менее месяца; хотя этого недостатка лишена современная технология каткового уплотнения бетона, т.н. RCC), легко демонтируется и перерабатывается в востребованную асфальтовую крошку, легче чинится "ямочным" способом (в случае бетона же обычно приходится полностью разрушать и заново заливать всю захватку). Асфальтовая дорога обеспечивает лучшее сцепление с шинами в мокрую погоду, на ней хорошо держится разметка - и т.д., и т.п. Говорят также, что в условиях холодного климата "бетонка" требует более трудоёмкого и дорогого обслуживания - в частности, на ней сложнее бороться с гололёдом.
Короче говоря - цементобетонные дороги это удовольствие для богатых и развитых стран, способных осуществлять масштабные капитальные инвестиции в свою дорожную инфраструктуру со сроками окупаемости, измеряемыми десятками лет. Каковой Российская Федерация, во всяком случае вплоть до самого недавнего времени, со всей очевидностью не являлась. Да и там их сооружение оправдано далеко не во всех случаях. Главное же - вся дорожная отрасль страны, включая и строительство, и обслуживание, уже много десятков лет "заточена" под использование асфальта, и менять сложившееся положение вещей, при котором дорожное покрытие приходится полностью заменять каждые 4...7 лет, никому особо не хочется.
Какие-то робкие разговоры о возврате к строительству "бетонок" начались только в середине 2010-х, но подписанное Медведевым в 2016 году предписание довести их долю среди вновь возводимых объектов до 50% к 2030-м так и осталось в числе прочих благих пожеланий - реально пока что речь идёт о считанных сотнях километров. Какие-то серьёзные подвижки в этом направлении на территории СНГ имели место только в Белоруссии, Казахстане и неназываемой нынче стране. Например, в порядке эксперимента бетоном была облицована части Минской кольцевой автодороги, построенная в 2014-2015 годах. Однако по самоочевидным причинам дальнейшая реализация этих планов отложена на неопределённый срок. В Казахстане тема также заглохла, да и на качество самих дорог были большие нарекания...
Впрочем, сама по себе технология всё равно будет так или иначе развиваться в связи с начавшимся в России с 2010-х годов восстановлением взлётно-посадочных полос аэропортов; будет ли от этого "выхлоп" и для дорожного строительства, как это случилось при СССР - поживём, увидим...