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

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