Ежегодно в Российской Федерации прокладывается и обновляется множество километров автомобильных трасс, однако такие дефекты, как трещины, колеи и ямы, продолжают оставаться острой проблемой. Асфальтобетонное покрытие страдает от давления большегрузных машин и температурных колебаний: в зной оно становится мягким, а в холода — ломким. Попадающая в микротрещины влага замерзает, расширяется, и в результате образуются выбоины. Полностью неуязвимого к износу асфальта не бывает, но существуют методики, позволяющие замедлить его деградацию.
Екатерина Королёва
Проблемы существующих методов укрепления
Большая часть способов укрепления либо отличается высокой стоимостью, либо показывает низкую результативность. Многообещающим направлением считается внедрение синтетических волокон, однако они дороги, требуют специальной техники и слабо связываются с битумом. Бюджетная замена — целлюлозные нити, но они подвержены воздействию воды, следует из сообщения пресс-службы ПНИПУ.
Решение от Пермского Политеха: природные волокна хризотил-асбеста
Исследователи Пермского Политеха предложили вводить в асфальт природные волокна хризотил-асбеста. Этот минерал обладает высокой прочностью, не плавится до 1500°C и превосходно соединяется с битумом. С помощью математического моделирования специалисты подобрали оптимальный состав, который увеличивает прочность покрытия на 30–40%.
Фото: Волокна хризотил-асбеста при увеличении в 100 раз. Источник: Пресс-служба ПНИПУ
Данная работа опубликована в журнале «Транспортные сооружения». Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Каждый год в нашей стране строятся и ремонтируются тысячи километров автодорог, однако проблема постоянных трещин, колейности и выбоин остается нерешенной. Асфальтобетон — главный материал дорожной отрасли — постепенно разрушается под воздействием тяжелой техники и температурных перепадов. В летнюю жару покрытие размягчается и начинает «плыть»: колеса грузовиков создают колеи, где затем накапливается вода. В зимние морозы материал становится хрупким и покрывается трещинами. Жидкость проникает в мельчайшие изъяны, замерзает, расширяется — и на ровной трассе возникают ямы. Из-за таких процессов полностью долговечного асфальта не существует.
Почему важны правильные материалы
Тем не менее, существуют технологии и добавки, способные существенно замедлить разрушение покрытия и предотвратить его переход в аварийное состояние. Ведь от выбора правильных материалов и методов укрепления напрямую зависит срок службы дороги и ее безопасность для водителей.
Дорого и неэффективно: выбор между качеством и ценой
Проблема заключается в том, что большинство доступных методов усиления асфальта либо чрезмерно дороги, либо не обеспечивают нужной эффективности. Наиболее перспективный подход — введение в смесь мельчайших армирующих волокон, например, синтетических (полиэфирных, полипропиленовых). Они усиливают покрытие, но стоят дорого, требуют специального оборудования и плохо взаимодействуют с битумом (вязкой нефтяной смолой, скрепляющей все компоненты). Более дешевая альтернатива — целлюлозные волокна. Однако они неустойчивы к влаге, разбухают и утрачивают свои качества. Получается, что приходится делать выбор между качеством и ценой: либо надежно, но очень затратно, либо дешево, но ненадолго.
Инновационный метод: природный минерал вместо синтетики
Ученые Пермского Политеха предложили новаторский метод производства асфальтобетона, основанный на применении горных пород, содержащих природные волокна хризотил-асбеста. Это натуральный минерал, встречающийся в земной коре. Он состоит из тончайших гибких нитей, напоминающих микроскопические волокна. В природе они образуются внутри серпентинитов — особых минеральных тел, формирующихся глубоко под землей при высоких температурах и давлении. В России основные запасы хризотил-асбеста сосредоточены в Свердловской и Оренбургской областях, на юге Красноярского края и в Республике Тыва. Такие частицы не плавятся даже при 1500°С, чрезвычайно прочны на разрыв и отлично скрепляются с битумом — в отличие от синтетических аналогов.
Фото: Волокно хризотил-асбеста полученное после промывки щебня. Источник: Пресс-служба ПНИПУ
Как ученые нашли оптимальный состав
Ранее исследователи запатентовали способ регулирования содержания этих волокон в щебне путем изменения подачи воздуха в сушильный барабан асфальтобетонного завода. Теперь же с помощью математического моделирования они определили оптимальный состав смеси, благодаря которому прочность асфальта возросла на 30–40%. Чтобы найти идеальное соотношение волокон хризотил-асбеста и битума, ученые провели серию опытов. Они приготовили несколько вариантов смесей, изменяя содержание волокон (0,5–2,5%) и битума (5,5–7,5%). Всего было изготовлено и испытано 243 образца. Каждый из них проверялся на прочность при разных температурах от 0°C до 50°C — именно в этом диапазоне происходят наиболее значимые изменения: при 0°C асфальт теряет эластичность и ведет себя как хрупкий материал, а при 50°C — размягчается и становится пластичным. Также оценивались водостойкость, устойчивость к сдвигу и трещиностойкость.
Результаты испытаний
На основе замеров ученые с помощью специализированного программного комплекса построили объемные графики. Они наглядно демонстрируют, как изменяются свойства асфальтобетона при варьировании количества волокон и битума. Анализ полученных данных позволил определить оптимальное сочетание компонентов, при котором прочность и водостойкость достигают максимума. — Результаты показали, что при добавлении 1,2–1,8% волокон хризотил-асбеста и 5,9–7,2% битума прочность на сжатие при нагреве до 50°C возрастает на 30–40% по сравнению с обычными составами без армирования. Водостойкость материала достигла 95–100% — это означает, что покрытие не будет терять прочность после дождей и размягчаться. При этом трещиностойкость осталась в допустимых пределах, то есть материал не будет разрушаться в морозы, — сообщил Константин Пугин, профессор кафедры «Автомобили и технологические машины» ПНИПУ, доктор технических наук.
Фото: Пугин Константин Георгиевич, профессор кафедры «Автомобили и технологические машины» ПНИПУ, доктор технических наук. Источник: Пресс-служба ПНИПУ
Экономические преимущества и практическое значение
Ученые также оценили влияние новой технологии на экономику производства. Выяснилось, что волокна хризотил-асбеста обладают высокой способностью притягивать и удерживать битум. Благодаря этому из состава асфальтобетонной смеси можно полностью исключить товарный минеральный порошок (обычно это молотый известняк, который нужно покупать и транспортировать за сотни километров). В итоге снижается себестоимость и упрощается логистика. Следовательно, разработанная технология позволяет дорожным строителям заранее, на этапе проектирования состава, вычислять оптимальное количество волокон хризотил-асбеста и битума для достижения максимальной прочности и водостойкости покрытия. Это особенно важно для регионов с резко континентальным климатом, где асфальт испытывает и сильную жару, и сильные морозы, а также для трасс с интенсивным движением тяжелых грузовиков. Вместо того чтобы выбирать между дорогими импортными волокнами и недолговечными дешевыми заменителями, инженеры получают экономически выгодное и эффективное решение на основе местного природного сырья. Это сокращает расходы на транспортировку, упрощает процесс производства, а главное — гарантирует, что дорога не покроется трещинами и колеями уже через несколько сезонов.
Ранее издание «Химагрегаты» уже рассказывало о прорывной разработке инновационного асфальтобетона, в состав которого вошёл переработанный пластик из ПЭТ-бутылок. Этот проект, созданный специалистами Северо-Кавказского федерального университета (СКФУ), нацелен сразу на две острые проблемы: дать вторую жизнь 70% образующихся полимерных отходов и значительно повысить износостойкость дорожного покрытия в условиях знойного климата.