Дороги в России: смогут ли учёные исправить ситуацию?

Дороги — одна из основных проблем нашей страны: люди постоянно жалуется на возвращение трещин и ям, которые латали буквально полгода назад. Да и перекрытые из-за ремонта чуть ли не на месяц магистрали — счастье сомнительное, пробок на трассах и так хватает. В чём же причина такого положение дел? Возможно, учёные смогут найти выход из ситуации?

Каждый год в России ремонтируют тысячи километров дороги, только вот почему-то ямы на них появляются быстро, ещё и на старых местах. Кто-то говорит, что асфальт «из грязи и палок» делают, а кто-то намекает на жадность и безответственность компаний, которые прокладывают эти самые дороги. Так как и из чего строят дороги? Давайте разбираться.

Особенности дорожного строительства

Кратко о строительстве дороги с нуля

Строительство начинается с проектирования. Ещё на этой стадии стремятся учесть буквально всё: почву и грунт, особенности рельефа и климата, какое у дороги будет назначение и т. д.

А уже потом идут подготовительные работы, которые включают в себя полную очистку выделенного участка: вырубку деревьев, демонтаж ограждений, осушение болот и даже снос домов.

Далее идут земляные работы: завоз грунта, укрепление земли, создание земляных насыпей, водоотводов и т. д. После прокладывают средства инженерной коммуникации (воду, газопровод, электропроводку).

Теперь самое время перейти к основе. Основа состоит из песка, щебня или бетона, которые перемешивают между собой и фиксируют. И после самое главное — асфальтирование. Асфальт заливают, утрамбовывают (для качества ещё могут дополнительно положить геосетку), а затем всё опять покрывают асфальтом. В самом конце работники наносят разметку, устанавливают бордюры, освещение и прочее необходимое.

Главная причина частых ремонтных работ кроется как раз в асфальте и дорожных слоях.

Корень проблемы

Ключевой элемент любой дороги — конечно же, асфальт, который ещё называю «слоем износа». Именно от его качества во многом и зависит, сколько по итогу прослужит трасса (ну и от того, насколько ответственно были проведены работы по его укладке, разумеется).

Как правило, для «слоя износа» используют асфальтобетон, который состоит из щебня, песка, каменной муки разной фракции и расплавленного битума в перемешку. Вся эта смесь крайне уязвима к погодным воздействиям: зимой активно трескается из-за морозов (и не забываем, конечно, про нагрузку от автомобилей), а летом просто она плавится и деформируется.

Помимо этого, проложенный асфальт может быть банально не рассчитан на то, что по нему будут кататься фуры, хотя, сами понимаете, в городе это явление довольно частое. Вот и получается, что состав асфальтобетонной смеси от идеала далёк.

В Европе для лучшего заполнения пустот используют пять-шесть фракций щебня, а в России же всего три. Более того, процент щебня в европейской смеси может достигать 70%, а у нас показатель доходит лишь до 45%. Всё это, конечно, не добавляет качества отечественной смеси: в экономии тут дело, или только так и можем сделать дорогу — вопрос.

Теперь поговорим о слоях. Плотность и количество слоев также сказываются на сроке службы дороги: грунт под основанием дороги может размякнуть из-за проливных дождей и «поплыть», что приведёт к образованию колеи. Помимо этого, слои могут попросту перемешиваться, а затем под воздействием машин верхние слои начинают прогибаться и ломаться, что и приводит к появлению ям. Или же вода попадёт в щели, замерзнёт и расширится, что приведёт к образованию трещин.

Необъятность — не всегда хорошо

Вроде бы всё просто: проверяй качество трассы, не давай слоям разойтись, укрепляй дорожное покрытие, и всё будет хорошо. Для укрепления, например, используют геосинтетическую сетку, которая мешает слоям разойтись, так как перераспределяет нагрузку. Ещё создали специальные грунтовые добавки, в частности из полимеров, которые делают грунтовые смеси плотнее и стабильнее.

Но не смотря на это, необходимо всё же учитывать тип почвы на прокладываемом маршруте, климат региона и интенсивность движения. А теперь представьте, сколько всего нужно мониторить, чтобы учесть все возможные факторы в России.

На начало 2023 года протяженность дорог в России составляет 1,5 миллиона километров: попробуй-ка уследи за всем. Климат в стране у нас тоже очень разнообразный: от степного до влажно-континентального на юге, от субарктического до тундрового в Сибири. Неудивительно, что у такой необъятной страны качество дорог может варироваться от региона к региону.

Но может всё же существует способ повысить качество и срок службы дорог и при этом не поднять их стоимость до заоблачных высот? Давайте посмотрим, что на это нам ответят учёные мужи.

Наука спешит на помощь

Напоминалка для дорожников

Например, учёные создали программу для умного ремонта дорог, которая помогает составить график работ. Смысл её в том, чтобы магистрали ремонтировались заранее, а не тогда, когда огромная яма уже образовалась.

Подобная разработка позволит делать ремонт своевременно и избежать перегрузки: никаких заторов и пробок. А это и экономия средств, и снижение нагрузки на дорожную сеть муниципалитета. Кроме того, улучшится и городская среда: токсичных выбросов станет меньше, а уровень шума снизится.

Для создания базы использовали теорию графов, расчёты для которой проводили на основе транспортных сетей Петергофа и Коломны.

Если объяснить просто, мы изучаем, какие есть кратчайшие пути между теми или иными двумя пунктами. Потом определяем, насколько важны эти две точки для соединения друг с другом прочих вершин. Таким образом выявляются магистрали и перекрестки, которые играют ключевую роль для связности всей сети городских дорог.

Затем в программу внесли данные о погоде и сколько техники возможно выделить на ремонт определённого участка. На основе этих данных алгоритм выдает оптимальный график работ. Судя по расчетам, такие плановые работы сократят расходы бюджета на 15%. Так что, потенциально магистрали будут чиниться вовремя, а рабочие не будут стоять в час пик и создавать километровые пробки.

Сода не только для быта

Оказалось, что и отходы содового производства могут пригодиться при создании дороги.

В процессе производства соды образуется большое количество отходов, которые отправляют в так называем шламохранилища. Такие хранилища загрязняют атмосферу, портят почву и загрязняют подземные воды, но учёные из Перми нашли применение шламу. Они предложили использовать его для укрепления и стабилизации грунтовой составляющей наших дорог.

Мы провели предварительные эксперименты и выяснили, что таким способом возможно упрочнение грунта на 6−18% в зависимости от его кислотности и гранулометрического состава: пылеватый, песочный, крупнообломочный и др. Это повышает устойчивость грунта к внешним нагрузкам, которые создают транспортные средства и вес вышележащих конструктивных слоев дорожной одежды.

Единственное, что вызывает некоторые опасения, — хлорид ионы, которые содержится в отходах такого производства: они могут выделиться и уйти в почву, особенно в сезон дождей.

Но, как говорится, клин клином вышибают: тут тоже можно воспользоваться отходами, например, летучей золой, которая образуется при сжигании твердого топлива. Зола поглощает хлорид ионы и не даёт им выходить за пределы шлама. Уже сейчас во всю проводят эксперименты, которые позволят определить оптимальное соотношение грунта, золы и шлама, чтобы дорога стала прочнее и не выделяла вредные вещества в почву.

Анализ химического состава показал, что твердая часть шлама состоит из смеси карбонатов магния и кальция, их сульфатов. Это указывает на высокий ресурс и потенциальную способность использоваться в технологиях получения строительных материалов. Замена природных материалов в дорожных конструкциях на отходы содового производства соответствует современным принципам ресурсосбережения и устойчивого развития. Отказ от укрепления грунтов цементами, которые широко используются в настоящее время, и переход на карбонатный шлам также сократит выбросы углерода, образующихся при выпуске цемента.

Канистры и масло тоже подойдут

И вновь отходы могут стать полезны: канистры от моторного масла отлично подойдут для укрепления асфальта.

Учёные из Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) протестировали использование загрязненной маслом тары в составе асфальтобетона. Они взяли измельченные емкости по 1, 4, 10 и 30 литров и моторное масло, которое широко применяется в техническом сервисе автомобилей (его остаточное содержание в таре составило примерно 8%). Затем всё это перемололи и смешали с песком, щебнем и битумом.

Как оказалось, размолотый пластик хорошо забивает пробелы между гравием и щебнем, а масло помогает равномерно перемешать все компоненты. Такой состав хорошо сопротивляется воздействию воды и выдерживает большие нагрузки при разных температурах.

Форма частиц используемой тары и шероховатая поверхность позволяют ей работать в качестве армирующего элемента. Это уже плюс, потому что снижается потребление вяжущих компонентов и увеличивается срок службы асфальтобетона. Мы изучили полученный состав на токсичность, используя зеленые одноклеточные водоросли и низшие ракообразные. Готовые образцы испытали на соответствие требованиям ГОСТ и определили, что асфальтобетон с тарой и моторным маслом не токсичен и отвечает всем требованиям.

В общем, такая пластико-масляная смесь сможет сделать дорожное строительство дешевле и качественнее, да и окружающей среде поможет.

Клей-момент для дорог

В МГУ разработали специальный клей, который может склеить все компоненты асфальта, да так, что бы они спокойно выдерживали легковой автомобиль.

В нашей стране много дорог без покрытия. Причем бывает, что из-за одного короткого отрезка, размытого дождем или талыми водами, такая дорога становится непроезжей. В результате прекращается транспортная доступность целых городов и поселков. Разработка поможет решить эти проблемы.

В целом, эта разработка заточена под те регионы, в которых сам асфальт не очень-то применим. Ведь для него требуется поддерживать определенную температуру, да и перевозка в некоторых случаях может влететь в копеечку. А тут происходит как — взяли песок, гравий, супеси и так далее, всё смешали и спрессовали.

Так что, действительно, из «грязи и палок» можно будет построить дорогу, причём за короткий промежуток времени. В теории, это будут использовать для прокладки временных проездов и укрепления уже существующих дорог в отдалённых уголках нашей страны (а ещё клей позволит укрепить берега и насыпи).

Звучит здорово, но пользуются ли такими открытиями?

Идеи учёных действительно применяют, а не убирают в стол. Как пример можно привести разработку учёных из Сибирского автомобильно-дорожного университета (СибАДИ), которые использовали промышленные отходы для создания дорожного покрытия.

Под их непосредственным контролем построили две крупные развязки в Московской области. Помимо этого, в списке их заслуг числится изобретение специального дорожного покрытия с жидким стеклом и противоморозными добавками.

Развитие технологий морозостойких влагонепроницаемых дорожных покрытий нашло своё отражение в разработках геополимерных бетонов, в которых не используется цемент. Эта работа больше востребована в области промышленно-гражданского строительства.

Пример с СибАДИ далеко не единственный, существует множество научных разработок, которые применяются в наше время. Так что, большинство идей учёных не ~~прикола ради~~ наука ради науки, а действительно полезные и применимые штуки.

Дороги-то станут лучше?

Перспективы довольно оптимистичные: у российских магистралей есть все шансы стать лучше уже в обозримом будущем. Новые материалы, специальные программы, которые призваны оптимизировать работу дорожников — всё это наверняка улучшит ситуацию.

Да и государство всерьёз взялось за проблему: финансирование проектов выросло, а контроль ужесточился. Так что, все предпосылки есть, осталось только подождать. Кто знает, возможно, избитая фраза, что в России две беды, дураки и дороги, совсем скоро станет наполовину менее актуальна.