Каждый год в России строят и ремонтируют тысячи километров дорог, но проблема трещин, колейности и выбоин остается. Асфальтобетон разрушается под тяжестью фур и из-за перепадов температур: в жару размягчается, в мороз становится хрупким. Вода проникает в повреждения, замерзает — и появляются ямы. Полностью «вечного» асфальта не существует, но есть технологии, замедляющие разрушение. Большинство методов укрепления либо слишком затратны, либо неэффективны. Перспективный способ — добавление синтетических волокон, но они дороги, требуют спецоборудования и плохо сцепляются с битумом. Дешевая альтернатива — целлюлозные нити, но они боятся воды. Ученые Пермского Политеха предложили добавлять в асфальт природные волокна хризотил-асбеста. Этот минерал прочен, не плавится до 1500°C и отлично сцепляется с битумом. С помощью математического моделирования они подобрали оптимальную рецептуру, которая повышает прочность асфальта на 30–40%.
Статья опубликована в журнале «Транспортные сооружения». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Каждый год в России строят и ремонтируют тысячи километров автомобильных трасс, но проблема «вечных» трещин, колейности и выбоин остается нерешенной. Асфальтобетон — основной материал дорожников — со временем разрушается под тяжелой техникой фур и из-за перепадов температур. В жару покрытие размягчается и «плывет»: колеса грузовиков продавливают колеи, в которых скапливается вода. В мороз материал становится хрупким и растрескивается. Жидкость проникает в мельчайшие повреждения, замерзает, расширяется — и вот уже на ровной трассе появляются ямы.
Из-за этих процессов полностью «вечного» асфальта не существует. Однако есть технологии и добавки, которые могут значительно замедлить разрушение покрытия и препятствовать его переходу в аварийное состояние. Ведь от выбора правильных материалов и методов упрочнения напрямую зависит, как долго прослужит дорога и насколько безопасной останется для водителей.
Проблема в том, что большинство существующих способов укрепления асфальта либо слишком затратны, либо не дают достаточной эффективности. Самый перспективный метод — добавление в смесь микроскопических упрочняющих волокон, например, синтетических (полиэфирных, полипропиленовых). Они укрепляют покрытие, но стоят дорого, требуют спецоборудования и плохо сцепляются с битумом (вязкой нефтяной смолой, которая связывает все компоненты асфальта). Более дешевая альтернатива — целлюлозные волокна. Однако они боятся воды, разбухают и теряют свои свойства. Получается, что приходится выбирать между качеством и ценой: либо прочно, но очень накладно, либо бюджетно, но недолговечно.
Ученые Пермского Политеха предложили инновационный подход к производству асфальтобетона, который основан на использовании горных пород, вмещающих природные волокна хризотил-асбеста.
Это натуральный минерал, который встречается в земной коре. Он состоит из тончайших гибких волокон, похожих на микроскопические нити. В природе они образуются внутри серпентинитов — особых минеральных тел, которые формируются глубоко под землей при высоких температурах и давлении. В России основные месторождения хризотил-асбеста находятся в Свердловской и Оренбургской областях, на юге Красноярского края и в Республике Тыва. Такие частицы не плавятся даже при 1500°С, очень прочны на разрыв и отлично сцепляются с битумом — в отличие от синтетических аналогов.
Ранее исследователи запатентовали способ регулирования содержания этих волокон в щебне с помощью изменения подачи воздуха в сушильный барабан асфальтобетонного завода. Сейчас они с помощью математического моделирования определили оптимальную рецептуру смеси, благодаря которой прочность асфальта увеличилась на 30–40%.
Чтобы найти идеальное соотношение волокон хризотил-асбеста и битума, исследователи провели серию экспериментов. Они приготовили несколько вариантов смесей, варьируя содержание волокон (0,5–2,5%) и битума (5,5–7,5%). Всего изготовили и протестировали 243 образца. Каждый проверили на прочность при разных температурах от 0°C до 50°C — именно в этом диапазоне происходят самые критичные изменения: при 0°C асфальт теряет эластичность и начинает работать как хрупкий материал, а при 50°C — размягчается и становится пластичным. Также оценили водостойкость, сдвигоустойчивость и трещиностойкость.
На основе измерений ученые с помощью специализированного программного комплекса построили объемные графики. Они наглядно показали, как меняются свойства асфальтобетона при изменении 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 значит, 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, — рассказал Константин Пугин, профессор кафедры «Автомобили и технологические машины» ПНИПУ, доктор технических наук.
Ученые также оценили, как новая технология влияет 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 везти за сотни километров). В итоге снижается себестоимость и упрощается логистика.
Следовательно, разработанная технология позволяет дорожным строителям заранее, на стадии проектирования состава, рассчитывать оптимальное количество волокон хризотил-асбеста и битума для достижения максимальной прочности и водостойкости покрытия. Это особенно актуально для регионов с резко континентальным климатом, где асфальт испытывает и сильную жару, и морозы, а также для трасс с интенсивным движением тяжелых фур. Вместо того чтобы выбирать между дорогими импортными волокнами и недолговечными дешевыми аналогами, инженеры получают экономически выгодное и эффективное решение на основе местного природного сырья. Это сокращает расходы на логистику, упрощает производство, а главное — гарантирует, что дорога не покроется трещинами и колеями уже через несколько сезонов.