Асфальт — как одежда для дороги, только «шьют» ее из минералов (чаще всего песка и щебня) и связующего их вещества — битума. От свойств последнего зависит, как долго прослужит и какие нагрузки сможет выдержать дорожное покрытие. Обычный битум превращает асфальт в удобную и практичную «кожаную куртку», а усовершенствованный — в настоящий «скафандр». Вместе с профессором Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина Алексеем Гуреевым выясним, что и как добавляют в битум, чтобы он стал крепче и долговечнее и смог выдержать почти космические нагрузки.
Асфальт со временем изнашивается, так как битум становится очень твердым на холоде и может потрескаться от нагрузки. Тогда в микротрещинки проникнет дождевая вода, замерзнет и расширит их. На жаре «клей» для дороги, напротив, размягчается и хуже «держит форму», когда по нему проезжает многочисленный транспорт, особенно тяжелые машины.
Если в битум добавить специальные полимеры — эластичные вещества на основе каучука или стирола, при застывании они превратятся в нем в упругую сетку-каркас. Молекулы полимеров по форме и свойствам похожи на пружинки: они умеют растягиваться под нагрузкой, а потом возвращаться в исходное состояние. Поэтому асфальт с полимерной сеткой внутри без разрушения выдерживает более высокие механические нагрузки и экстремальные температуры: от минус 55 до плюс 60 градусов.
Если взять обычный битум и вытянуть его в нитку, то рано или поздно она порвется. С полимерными веществами в составе она будет тянуться и тянуться, а когда мы нагрузку снимем — вернется в исходное состояние.
Добавляя разное количество полимеров, можно менять состав битума и придавать ему нужные свойства. Это позволяет «шить асфальтовую одежду» под нагрузку каждой дороги с учетом климата региона, где она проложена.
В России шесть климатических зон: от тропиков до заполярья. В Калмыкии или Дагестане воздух летом может прогреваться до плюс 45 градусов, а в Оймяконе или Верхоянске зимой стоят холода до минус 50. Загруженность дорог тоже разная: по некоторым участкам трассы «Янго-Аскер-Улан-Эрге» в сутки проходит несколько сотен автомобилей, а по Западному скоростному диаметру в Санкт-Петербурге — больше ста тысяч. Поэтому одни и те же дороги и там, и там не уложишь, и состав покрытия нужно подбирать индивидуально.
Оптимальную рецептуру битумов с полимером можно подбирать не только для разных задач. Алексей Гуреев отметил, что технологии позволяют планировать составы «дорожной одежды» даже на отдаленную перспективу.
В 1950-х годах, когда проектировали, например, дорогу из Воронежа в Саратов, советские инженеры не могли учесть, что спустя 50 лет по ней будут ездить грузовики весом до 17 тонн. Способов прогнозировать изменения климата и вовсе не существовало.
Сегодня с помощью цифровых технологий можно заранее спрогнозировать, как будет развиваться дорожно-транспортная сеть в конкретном регионе, как будут меняться летние и зимние температуры. После этого ученые могут подобрать минеральные компоненты и полимерные составляющие битума так, что дорога будет служить до 100 лет.
Для улучшения свойств битума много полимеров не нужно: как правило, не больше 5% от массы самого битума. Однако когда речь идет о сотнях и тысячах километров дороги, прирост цены за счет добавления полимеров в битум оказывается весьма ощутимым. Поэтому используется «дорожный скафандр» там, где окупается: на оживленных трассах, где в сутки проносятся тысячи автомобилей.
Кроме того, битум с полимером — материал капризный. С сухими компонентами асфальта его нужно смешать на месте строительства дороги, а рабочая температура у него выше, чем у обычного битума. Поэтому с места производства к месту укладки асфальта усовершенствованный нефтепродукт перевозят в горячем виде в битумовозах-«термосах» либо разогревают на месте.