Такой нужный ненужный битум: все больше новых модифицированных вяжущих появляется в арсенале дорожников

Основная часть дорог по всему миру строится из асфальтобетона. И Россия в этом ряду даже не пример, а образец: у нас дороги прокладываются почти исключительно из асфальта, несмотря на то, что во многих развитых странах в дорожном строительстве активно применяется цементобетон. Особая «привязанность» российских дорожников именно к асфальту имеет ряд причин, хотя бетон выигрывает по многим параметрам.

Но так уж повелось, что наша страна во многом идет своим путем, поэтому имеет смысл рассмотреть технологии дорожного строительства, основанные именно на применении асфальтобетона. Последний является искусственным строительным материалом — смесью минерального материала и битума. Минеральная часть может состоять из щебня, песка и порошка в разных пропорциях, от которых зависят те или иные свойства создаваемой смеси.

По принятому в России ГОСТ 9128-2013, по составу минерального заполнителя асфальтобетонные смеси могут быть щебеночными, гравийными или песчаными. В свою очередь, в зависимости от размера зерен заполнителя и от того, в горячих или холодных смесях их используют, асфальтобетон бывает крупнозернистым, мелкозернистым и песчаным.

Из истории вопроса

Если в античности дороги в основном строили из булыжника, скрепленного глиной или известью, то позднее стали искать соединяющий материал с более подходящими характеристиками. А поскольку как раз наступило время широкого использования нефти, исследователи того времени быстро поняли, что производное от переработки нефти — битум — как раз соответствует этим требованиям. И уже с середины XIX века битумно-минеральные смеси начали широко использовать во Франции, США и некоторых других развитых странах. Их поначалу в качестве эксперимента стали использовать и в России: небольшие участки тротуаров в Санкт-Петербурге были построены именно из этого материала, а в Москве несколько позже немало потратились на устройство асфальтобетонного покрытия на Тверской.

Но настоящая революция произошла с изобретением макадамовского покрытия. Оно называлось Тармакадам, где Макадам — фамилия шотландского изобретателя Джона Макадама (John Loudon McAdam). Собственно, последний предложил только тип дорожного покрытия, в котором калиброванный некрупный щебень укладывался слоями и тщательно прикатывался катками, и только позже дорожники пришли к мысли добавлять к щебню битум для получения однородной массы, обладающей неплохой несущей способностью.

Фактор нефти

На одном из отечественных мероприятий, посвященных дорожному строительству, очередной спикер произнес с трибуны: «Нам бы венесуэльскую нефть!» Все дело в определенном «недостатке» российской нефти: после разделения на фракции и «отжима» всего самого ценного остается твердый остаток — гудрон, основа для получения битума. Но наши битумы мало соответствуют тем требованиям, которые предъявляют к ним дорожники. Они бедны асфальтенами, смолами и маслами — как раз тем, чем богата тяжелая венесуэльская нефть. При этом асфальтены обеспечивают твердость и высокую температуру размягчения битума, смолы придают ему эластичность и скрепляющие свойства, а масла — так необходимую в нашем климате морозостойкость.

Впрочем, наука не стоит на месте, изобретая технологии по изменению свойств отечественных битумов в нужном для дорожного строительства направлении. Для этого стали модифицировать битум с помощью набора полимеров, изменявших физические характеристики материала.

Так, недавно «Газпромнефть» и ГК «Автодор» заключили соглашение о расширении поставок современных битумных материалов на строительство крупных инфраструктурных объектов страны. Это партнерство имеет глубокие корни: битумные материалы «Газпромнефти» (компания производит более 300 видов битумов и битумных материалов) только за последние годы были использованы на строительстве и реконструкции трасс М-1 «Беларусь», М-4 «Дон», М-11 «Нева», М-12 «Восток», ЦКАД. Как сказал глава «Газпромнефти» Александр Дюков, «каждый третий километр современных скоростных автомагистралей и региональных дорог страны построен с применением наших битумов».

Операция «Модификация»

Надо сказать, к битуму до недавних времен относились скорее как к отходам от работы «нефтянки». Ну, кроют им крыши, или замешивают его в асфальтобетонную смесь — и ладно: покупают же. Но требования к битумам, особенно дорожным, менялись, и в 2014 году был принят новый ГОСТ 33133, пришедший на смену явно устаревшему ГОСТ 22245 от 1990 года. Толчком послужили как усилия российских дорожников, так и новые требования Таможенного союза (ТС), куда входит Россия. Эти требования касались нефтяных дорожных битумов в части резкого повышения требований к их качественным характеристикам. Так, в документах ТС вводилось разделение по битумам по температурам в местах их эксплуатации. Кроме того, вводились требования по районированию, трафику, с учетом которых и подбирались битумы с необходимыми характеристиками.

Новые нормативы для полимерно-битумных вяжущих существенно увеличивают срок службы асфальтобетона. Также уменьшаются колееобразование, возникновение деформаций и трещин.

Как же модифицируют битум? В его состав стали вводить полимеры, значительно повышающие теплостойкость, эластичность, устойчивость на сдвиг.

Выше не просто так было упомянуто более 300 сортов битума только от «Газпромнефти». В Рязанском научно-исследовательском центре компании испытывались разные виды модификаторов, разные их концентрации и сочетания. И десятилетняя работа приносит свои плоды. За это время там были проведены тысячи испытаний различных материалов и сырья и созданного на их основе модифицированного битума. В результате зарегистрированы сотни «рецептов», среди которых дорожникам легко подобрать те, которые будут хорошо работать в условиях местности, где прокладывается дорога. При этом, как уже доказано на многочисленных примерах, дорожное покрытие на соответствующих битумных «модификациях» работает в 2-2,5 раза дольше.

При чем тут Superpave?

Требования к свойствам битума также заложены в технологии объемного проектирования Superpave, разработанной в США в 1992 году. По сути, это метод проектирования асфальтобетонных смесей с повышенными эксплуатационными характеристиками с привязкой (районированием) к месту прокладки трассы с использованием местных материалов. Технология содержит целый комплекс требований — от прогнозирования работы дорожных одежд по времени до сопротивления трещинообразованию, проникновению влаги, отслеживанию модуля упругости при разных температурах окружающей среды и многие другие.

Методика Superpave основана на подборе битумного вяжущего исходя из климатических условий и транспортных нагрузок на конкретном участке строительства. Марка битума определяется двумя температурными пределами — максимальной и минимальной расчетными температурами. Регламентируется температурный диапазон по специально созданной шкале.

Метод объемного проектирования подразумевает, что заполнитель крупной фракции должен плотно прилегать друг к другу, пустоты же заполняются более мелкими фракциями, а оставшиеся пустоты заполняются специально подобранным по нужным характеристикам битумом, который рассчитан на сопротивление пиковым положительным и отрицательным температурам в данной местности.

Важно отметить фактор импортозамещения, присущий технологии объемного проектирования: в рекомендациях Superpave содержится прямое требование — использовать только местные материалы, а также материалы после ресайклинга.

Сберечь вечную мерзлоту

За всеми этими подробностями и деталями с модифицированными битумами и технологией объемного проектирования скрывается одна досадная проблема — вечная мерзлота. Она охватывает две трети российской территории, являясь надежным основанием для любого строительства. Но климат меняется, да и само «тело» дороги растепляет почву под ней — и в образовавшемся болоте утонет любой Superpave. Но и для этой проблемы у наших специалистов нашлось решение — применение экструзионного пенополистирола, который становится теплозащитным экраном, уберегающим грунт от температурных колебаний. В данном случае — от оттаивания. При строительстве на многолетнемерзлых грунтах такие требования, кстати, содержатся в СП 34.13330.2021 «Автомобильные дороги».

Учитывая, что пенополистирол — это продукт, также получаемый из нефти, нефть — это наше все