Ученые Пермского Политеха создали ремонтный материал для дорог, который можно использовать даже зимой

Дорожная отрасль России сильнее других зависит от сезонности из-за суровой зимы и огромной сети дорог. Причина этого — технологическая: традиционный горячий асфальт на битуме требует разогрева до 150-180 °C, что невозможно в холодный период. В результате строительный сезон сокращается до нескольких месяцев, вызывая авралы, удорожание и хроническое отставание в ремонтах. При этом существующие альтернативы проблему не решают: «теплые» смеси все равно требуют плюсовых температур, а «холодные», хоть и можно укладывать зимой, хранятся не более месяца и медленно набирают прочность, что делает их непригодными для создания долгосрочных запасов. Решение нашли ученые Пермского Политеха совместно с МАДИ, РОСДОРНИИ и РАТ. Они создали принципиально новый материал — полидисперсную битумную суспензию для круглогодичного ремонта — и цифровой инструмент для его контроля. Эта разработка может храниться до 40 лет в герметичной упаковке, не теряя свойств, и применяться даже при температуре до -15 °C.

Автомобильно-транспортная отрасль по всему миру сталкивается с проблемой сезонности, однако в России с ее огромными территориями и продолжительной зимой эта проблема приобретает особую остроту, так как нужно поддерживать сеть дорог длиной в 4,4 млн километров. Основная причина трудностей заключается в самой технологии: большинство трасс строится и ремонтируется с использованием традиционного горячего асфальта, где в качестве связующего вещества используется битум — продукт переработки нефти, который при обычных температурах представляет собой твердое или полутвердое вещество. Этот материал требует разогрева до высоких температур (150-180 °C), когда он переходит в жидкое состояние, что физически невозможно обеспечить на асфальтобетонных заводах в зимних условиях.

В результате строительный сезон, длящийся всего несколько теплых месяцев, приводит к авральной работе, резкому удорожанию проектов и систематическому отставанию графика ремонтов. С началом весны дорожные службы вынуждены бороться не с плановым техническим содержанием, а с последствиями зимних разрушений, что формирует порочный круг и не позволяет кардинально улучшить состояние дорожной сети. Это создает колоссальную нагрузку на логистику и бюджеты, приводя к хроническому запаздыванию ремонта и строительства новых транспортных артерий.

Существующие на данный момент технологии не могут полностью решить эту проблему. Даже современные альтернативы — «теплые» и «холодные» асфальтобетоны — имеют серьезные ограничения. Первые можно укладывать при температурах 100-130 °C, что немного продлевает строительный сезон весной и осенью, но не позволяет работать зимой. А вторые хотя и можно использовать при минусовых температурах, обладают двумя ключевыми недостатками: они медленно набирают прочность после укладки, а битумные эмульсии в их составе хранятся не более месяца, что исключает возможность создания долговременных запасов материалов.

Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из МАДИ, РОСДОРНИИ и Российской академии транспорта разработали принципиально новый материал для всесезонного ремонта дорог — полидисперсную битумную суспензию — и цифровой инструмент для его проверки.

Ключевая особенность заключается в том, что данная суспензия сохраняет свою пластичность и технологические свойства даже в условиях отрицательных температур.

— В ее состав входит 33% известнякового минерального порошка, 34% воды и 33% вязкого битума. Процесс включает последовательное связанное (порционное) дозирование компонентов: сначала в смеситель добавляют холодный минеральный порошок и воду, а затем при непрерывном перемешивании порциями вводят горячий битум с температурой не менее 155 °C. Такой резкий перепад приводит к его распаду на микроскопические сферические частицы, которые сразу обволакивались или, иначе говоря, опудривались минеральной взвесью, образуя стабильную суспензию на битумном вяжущем, — рассказал Андрей Кочетков, профессор кафедры «Автомобильные дороги и мосты» ПНИПУ, доктор технических наук.

Говоря простым языком, мельчайшие капли обычного дорожного битума «запечатываются» в оболочку из минерального порошка, который выполняет роль твердого эмульгатора, не давая частицам слипаться. Это означает, что липкий нефтепродукт превращается в пастообразный материал, похожий на влажный песок или пластилин.

— Когда приходит время ямочного ремонта дорожных покрытий, достаточно просто разбавить необходимое количество состава водой, добавить необходимое количество песка и щебня до требуемого гранулометрического состава — и она готова к использованию. По сути, технология позволяет создавать «консервированный» вяжущий материал, полуфабрикат, или технологический передел, который сохраняет все свойства обычного дорожного битума, но при этом не требует подогрева и специальных условий хранения, — поделился Андрей Кочетков.

Главным вопросом для внедрения этой технологии стал контроль качества материала, а именно — размер частиц битума в его составе. От этого параметра зависит, насколько стабильной будет новая смесь при хранении и как хорошо она будет работать при укладке.

Для решения этой задачи исследователи разработали простой и доступный метод анализа. Они использовали цифровой микроскоп для первоначальной оценки частиц, а затем применили метод седиментации (естественное осаждение элементов под действием силы тяжести) — наблюдали, как фрагменты разного размера оседают в стеклянном цилиндре.

— Мы сфотографировали весь процесс оседания, а затем проанализировали снимки с помощью специально разработанной программы, которая измеряет яркость, контрастность и резкость слоев осадка в цилиндре, определяя, где заканчивается один слой и начинается другой. Это позволило нам точно определить размер элементов и скорость их выпадения, — прокомментировал Андрей Кочетков.

Результаты показали наличие частиц разной величины — от мельчайших (0,4 микрометра) до крупных (100 микрон), что доказывает: состав является полидисперсным и стабильным.

Представьте себе коробку с шарами: если они все одинаковые, между ними остаются пустоты. А если смешать большие, средние и маленькие шары, они плотно заполнят все пространство. Именно этот принцип плотной упаковки лежит в основе полидисперсности. Элементы разного размера формируют в новом составе прочную и однородную структуру.

Следовательно, стабильность подразумевает сохранение однородности при хранении. В отличие от обычных смесей и особенно битумных эмульсий, которые склонны к быстрому расслоению и имеют срок годности не более месяца, в новой суспензии мелкие частицы удерживают крупные, создавая устойчивую структуру. Это позволяет хранить материал десятилетиями (до 40 лет в герметичной упаковке) без потери готовности к использованию и применять его даже при низких температурах, вплоть до -15 °C.