Органоминеральные смеси (ОМС) сложны по своему составу. Само название указывает на двойственную природу материала. ОМС включают в себя органическое и минеральное вяжущее + инертный материал. В природе такую смесь не найти — её можно создать только искусственно. Однако компоненты (щебень, песок) добываются из природных источников, а битум является продуктом переработки нефти — ископаемого органического топлива. Рассмотрим, как человечество пришло к созданию ОМС для строительства дорог.
Первые попытки укрепления дорог
Хотя принято считать, что органоминеральные смеси появились сравнительно недавно, их истоки уходят в древность. Уже в VI-III тысячелетии до н. э. в Месопотамии битум использовали как связующее вещество. Тогда такие смеси были не столь сложны, как сейчас: люди просто заливали камни битумом. Ещё тогда было замечено, что битум хорошо «склеивает» камни и не пропускает воду. Его свойства – водонепроницаемость, адгезивность и пластичность при нагревании – делали его ценным материалом.
Так, в Древнем Египте и Вавилоне битум и смолу использовали в качестве вяжущих и гидроизоляционных материалов для изоляции каналов, водостоков, фундаментов дворцов и храмов, стен и полов в амбарах и зернохранилищах. Также египтяне применяли его в процессе мумификации и для герметизации гробниц. Шумеры использовали битум в качестве связующего вещества при строительстве своих знаменитых зиккуратов, а также для гидроизоляции лодок и колодцев. В Междуречье (современный Ирак) битум получали из природных битумных озёр. По некоторым данным, на битуме даже возводились первые участки Великой Китайской стены.
Следует отметить, что для того времени использование битума было эффективным решением, поскольку нагрузки на дороги были значительно ниже современных. Однако со временем появились тяжёлые гружёные повозки, затем — тракторы и первые автомобили, что потребовало совершенствования дорожных покрытий.
Первые эксперименты европейцев
В XIX веке с началом развития нефтяной промышленности люди начали понимать, что битум можно активно использовать в строительстве, и стали разрабатывать различные технологии его применения.
В 1802 году французский инженер Жан-Батист Сезар Гран предложил использовать нагретый битум в качестве связующего для каменной крошки, создавая таким образом более прочное и ровное дорожное покрытие. Он получил патент на получение асфальта из битуминозных пород.
В 1810-х годах исследования в этой области продолжил инженер Эжен-Жозеф Эйманс, чьи работы заложили основу для последующего развития технологий.
В 1838 году в Париже французский инженер Жан-Эдуард Мале представил смесь из битума и щебня, уложенную на деревянном основании. Такое покрытие продержалось 10 лет, что в те времена считалось очень долгим сроком службы. Его эксперимент показал, что можно создать твёрдое, но при этом эластичное дорожное полотно.
Параллельно в Англии в 1830-х годах начались эксперименты с асфальтом, в результате которых был разработан асфальтобетон — смесь битума, песка, щебня и минерального порошка. Этот материал оказался более прочным и долговечным, чем чистый битум.
Развитие дорожных технологий в России
Дорожное строительство на территории России изначально двигалось иными путями, нежели в европейских странах. Сказывались огромная протяжённость дорог и отсутствие в достаточном количестве доступных для разработки каменных материалов.
При раскопках Старой Ладоги — главной перевалочной базы в торговых путях — в слоях VII—IX веков были найдены остатки деревянных мостков, настилочных плах, осушительных канав и вымостки из камня и известняка.
В основном же использовалась технология строительства дорог, которая помогала в поднятии и осушении дорожной полосы, с укреплением её материалами из древесины. Деревянные мостовые и внутригородские дороги существовали на Руси с незапамятных времён. Эти мостовые представляли собой толстые доски, положенные на основу из брёвен и горбылей и прикреплённые к ней. А городские дороги (т.е., не тротуары, а проезжая часть, по которой ездили телеги и экипажи) делались из плотно уложенных друг к другу брёвен, обработанных с той стороны, по которой ездили.
Наши предки для укрепления дорог чаще всего применяли дёготь, получаемый из бересты. Его использовали также для пропитки деревянных сооружений, лодок, рыбацких сетей, для смазки сапог и т. п. Такая обработка защищала от гниения благодаря антисептическим и гидрофобным свойствам.
К концу XVIII столетия, в том числе по причине развития почтового сообщения, в Российской империи, как и в Европе, стали использовать щебёночные покрытия, которым с 1786 года предписывалось иметь двухслойную конструкцию: щебень более мелкой фракции в нижнем слое и более крупного (2-4 дюйма) в верхнем. Такое покрытие уплотняли вручную и выравнивали чугунными или каменными катками, что позволяло снизить пористость покрытия и расклинивать щебень более мелким материалом (клинцом и высевками) в верхнем слое.
Первая половина XIX века стала принципиально новым этапом в развитии дорожного дела в России. На это время приходится переход от сооружения грунтовых дорог к шоссейным, создается единый центральный орган управления и строительства путей сообщения.
В конце XIX века в России также были заложены основы для получения природных и нефтяных битумов на основе бакинской нефти, что дало новые возможности применения органических вяжущих веществ. Их использовали, например, для дорожных покрытий и производства кровельных и изоляционных материалов.
Одним из пионеров применения нефтепродуктов стал отставной офицер и владелец имения в Сызранском уезде Самарской губернии Дмитрий Иванович Воейков. Пытаясь отыскать на берегах Волги месторождения нефти, вместе с Модестом Николаевичем Богдановым он открыл месторождения природного песчаного асфальта. Отсутствие нефти не остановило предприимчивого помещика, и к 1875 году он освоил производство асфальтовой мастики и гудрона, которые начал поставлять в Москву.
В это же время в Сызранском уезде инженер-химик Александр Александрович Летний исследовал на берегу Волги и в соседних оврагах асфальтовые залежи. Именно при его участии спроектирован и построен первый асфальтовый завод, который был зарегистрирован в 1879 году под названием «Товарищество Сызранского асфальтового завода».
ХХ век как символ прорыва в дорожной сфере
В ХХ веке стала набирать обороты автомобильная промышленность, а значит, настало время для укрепления дорог в условиях новых нагрузок. Промышленная переработка нефти позволила получать битум в больших объемах и с контролируемым качеством. Были разработаны различные типы асфальтобетонных смесей, адаптированные для разных климатических условий и нагрузок. Так, в 1930-е годы началась стандартизация составов органоминеральных смесей в США и СССР, а также стартовало массовое производство смесей для укладывания дорог.
В 1932 г. в Москве был построен первый завод по производству холодных асфальтобетонных смесей, который уже за первый год своей деятельности произвел продукции более чем на 1500 тонн. За счёт этого гораздо быстрее были построены асфальтированные дороги в Москве, Ленинграде и других крупных городах.
В 1950 году в СССР был создан асфальтобетонный завод непрерывного действия. Его производительность составляла 50 тонн в час, что позволило строить тысячи километров дорог в Сибири. Именно тогда в России полностью отказались от применения в качестве связующего вещества природного дёгтя, разработали технологии укладки дорожного полотна с учетом слабых и болотистых грунтов.
Поскольку строить дороги стали не только в больших городах, то понадобилась и соответствующая техника, которая поможет быстро и качественно укладывать дорожное полотно. Поэтому началось активное развитие технологий производства и укладки асфальта. Появились асфальтоукладчики, катки и другое специализированное оборудование, которое позволило механизировать процесс и значительно увеличить скорость строительства.
В середине века начались исследования по улучшению свойств асфальта. В 1970-х гг. были разработаны модифицированные битумы, в состав которых добавлялись полимеры, каучук и другие добавки. Эти модификации позволили повысить устойчивость асфальта к температурным перепадам, образованию колеи и трещин, а также увеличить его срок службы, повысить эластичность и морозостойкость.
В 1980 году в мире произошла так называемая «холодная революция». В Германии инженеры разработали первую коммерческую битумную эмульсию, которая стала прототипом влажных органоминеральных смесей. Такую смесь можно было укладывать при минусовой температуре и не зависеть от погоды. Это позволило поднять рынок смесей на новый уровень.
Также в ХХ веке активно развивались технологии ремонта и восстановления асфальтовых покрытий. Появились методы холодной и горячей регенерации асфальта, которые позволяют повторно использовать старый асфальт, снижая затраты и уменьшая воздействие на окружающую среду.
А уже в 2010-х гг. В США начали использовать до 50% старого асфальта (асфальтогранулята) в новых смесях. Органоминеральная смесь превратилась из отхода в ресурс, к чему сейчас стремятся многие развитые страны.
История развития органоминеральных смесей продолжается. Современные исследования направлены на улучшение их свойств, разработку новых добавок и повышение долговечности дорожных покрытий. ОМС остаются ключевым элементом современной дорожной инфраструктуры, обеспечивая прочность, надёжность и устойчивость дорог.
