Дороги — кровеносная система городов и стран, и как человек не мог бы жить без вен и артерий, так же и человечество не могло бы процветать без улиц и шоссе, переулков и проспектов. В современном мире мы так часто передвигаемся на большие и малые расстояния, что от качества дорог буквально зависит качество нашей жизни. Так ли просты дорожные покрытия? Конечно же нет. И сегодня мы расскажем о том, как в ближайшее время они могут научиться светиться или даже самовосстанавливаться.
Первые дороги в истории человечества мало напоминали современные магистрали. Скорее, это были стихийные тропы, проложенные по принципу «кратчайшего расстояния между точками» — даже если путь пролегал через топкие болота или крутые склоны. Интересно, что такие маршруты возникли раньше, чем люди начали строить города! Но для развития цивилизации требовалось нечто большее, чем утоптанная грязь под ногами. Так началась многовековая эволюция дорожных технологий.
Древнейшие дороги, дошедшие до наших дней, можно найти на территории Англии. Например, Свит-Трек в графстве Сомерсет, появившаяся около 3800 г. до н.э., напоминает деревянный «тротуар» каменного века. Длина этой причудливой конструкции когда-то достигала двух километров: строители укладывали поперечные жерди из гибких ветвей, поверх которых монтировали прочный настил из дубовых досок. В эпоху, когда о международной торговле речь не шла, каждое поселение становилось инженером-новатором — где-то дробили камень, где-то утрамбовывали песок, а где-то, как здесь, экспериментировали с древесиной. Все работы выполнялись вручную — каменными топорами, самодельными лопатами и неистощимым запасом человеческого терпения.
Все изменилось, когда на исторической сцене появились империи-гиганты. Чтобы удерживать власть над завоеванными землями, требовались не просто пути, а целая транспортная система. Здесь пальма первенства принадлежит Древнему Риму — его инженеры совершили настоящую революцию в дорожном деле.
Перед началом работ трассу тщательно проектировали. Переносные солнечные часы указывали направление, шест с поперечиной (грома) помогал вычерчивать идеальные прямые, а хитроумный хоробат — деревянный желоб с водой — измерял перепады высот на холмистой местности. Это позволяло создавать маршруты, где даже крутые склоны не становились препятствием.
Секрет долговечности римских дорог крылся в «слоеной» конструкции. На дно траншеи укладывали плоские камни-плиты, формируя прочный фундамент. Следом шел «пирог» из щебня, скрепленного известковой смесью — эта прослойка работала как дренаж. Венчала конструкцию мостовая из отполированных базальтовых плит, аккуратно подогнанных друг к другу. По краям дороги выстраивали каменный барьер, предотвращающий расползание полотна.
Интересно, что ширина магистралей была унифицирована — ровно 6 м, чтобы две повозки могли разъехаться без проблем. А характерные выпуклые бока дороги (напоминающие черепаший панцирь) обеспечивали быстрый сток дождевой воды. Благодаря этим технологиям некоторые античные трассы служат до сих пор — спустя два тысячелетия!
В России уже во времена Ивана Грозного в XVI столетии московские улицы вовсе не тонули в бесконечной грязи, как представляют себе многие. Напротив, их уже тогда покрывали многоярусные деревянные «ковры». Технология, как и в Риме, напоминала слоеный пирог. Сначала на землю клали массивные бревна, создавая прочный фундамент, поверх них крепили широкие плахи, а уже на них укладывали тонкие жерди, формируя устойчивое полотно. Такая система выдерживала тяжелые повозки, быстро чинилась и не превращалась в болото после ливней. Со временем жерди заменили сплошными досками. Ходить и ездить стало еще удобнее.
Асфальтовая эра в России стартовала в 1875 г. Главными ингредиентами смеси, как и сегодня, были щебень и вязкий битум. Толчком к переменам стало открытие инженера А.А. Иордана: он обнаружил залежи битумного известняка под Сызранью, что позволило наладить производство покрытия внутри страны. Вскоре там же заработал первый асфальтовый завод, и непривычный материал начал медленно завоевывать столичные улицы.
Пионером стала Тверская — в 1876 г. ее отдельные участки замостили экспериментальным покрытием. А уже в 1882 г. Никольская улица блистала ровным асфальтом от начала и до конца. Любопытно, что переход на новинку финансировали не власти, а частники: богатые горожане и предприниматели устали от грохота колес по булыжникам и охотно вкладывались в тишину. Так каменная мостовая постепенно уступила место гладкому, почти бесшумному покрытию, изменившему облик городов.
Сегодня же, говоря о применении новых материалов в строительстве дорог, можно выделить два основных направления: разработку материалов с качественно новыми свойствами и совершенствование свойств традиционных дорожно-строительных материалов (ДСМ).
«В качестве примеров работы по первому направлению, выполняемой в последние годы, можно привести самовосстанавливающиеся, регенерирующие себя материалы, новые составы и варианты комплексного применения геосинтетических материалов и конструкций на их основе, токопроводящие материалы (например, бетон для устройства антигололедного покрытия тротуаров), дренирующий асфальтобетон для быстрого и эффективного отвода воды с проезжей части во время ливня. Это дорожные покрытия коробчатого типа из пластика, в том числе пластика вторичной переработки. Это, например, белое асфальтовое покрытие для районов с жарким климатом для уменьшения его нагрева и снижения температурных деформаций. Или светящееся в ночное время покрытие дороги, в состав материала которого внедряются специальные вещества — люминофоры. Днем люминофоры поглощают ультрафиолетовое излучение, а затем продолжительное время излучают свет, подобно тому, как это делают светлячки. Этот перечень можно продолжать довольно долго», — рассказал корреспонденту «Научной России» кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги и мосты» Пермского национального исследовательского политехнического университета Антон Олегович Добрынин.
По второму направлению ученые и инженеры также активно работают, улучшая свойства дорожно-строительных материалов (ДСМ). Их цель — сделать покрытия прочнее, долговечнее, устойчивее к износу, а заодно снизить стоимость и помочь природе.
В обычные органические вяжущие вещества (например, битум) добавляют химикаты и полимеры. Эти добавки делают материал гибче, устойчивее к перепадам температуры и продлевают срок службы дорог.
Наноматериалы — крошечные, но мощные помощники. Их внедряют в состав ДСМ, чтобы усилить прочность и создать покрытия, которые не боятся ни тяжелых грузовиков, ни экстремальных погодных условий.
Ученые дают вторую жизнь отходам: золу, шлаки, пластиковые бутылки и даже стекло перерабатывают и добавляют в дорожные смеси. Это не только экономит ресурсы, но и сокращает горы мусора на планете.
Старые дорожные материалы больше не отправляют на свалку. Их регенерируют — очищают, обновляют и снова используют.
Специальные примеси помогают упростить укладку дорог и расширяют температурный диапазон их эксплуатации. Теперь строители могут работать даже в жару или холод, не жертвуя качеством.
Чтобы защитить покрытия от перегрева или промерзания, в их состав добавляют пенопласт, полистирол или другие «теплорегуляторы». Эти материалы действуют как изоляция, сохраняя дороги целыми даже при экстремальных температурах.
Асфальт укладывают на теплопроводящие трубы, создавая таким образом дорогу с подогревом
Отдельного упоминания заслуживает технология «регенерирующих дорог». Как именно она работает? В состав асфальта включают материалы с микрокапсулированными восстанавливающими агентами. Когда возникает трещина, эти капсулы разрываются, высвобождая герметик, который затвердевает, чтобы восстановить повреждение. Этот процесс включает сложные химические реакции, часто использующие карбонат кальция или битумные вещества, которые активируются под воздействием факторов окружающей среды, таких как влага или воздух. Так, например, исследователи из Королевского колледжа Лондона и Университета Суонси совместно с учеными из Чили внедрили в битум микроскопические пористые споры растений, насыщенные переработанными маслами. Когда покрытие подвергается нагрузке и начинает проседать, споры сжимаются, выделяя масло. Оно проникает в микротрещины, размягчает битум и буквально запечатывает повреждения, предотвращая их разрастание.
Наконец, перспективы в области дорожных покрытий касаются следующих направлений, которые выделяет А.О. Добрынин.
Искусственный интеллект. Сфера ИИ стремительно меняет все области, и дорожно-строительная отрасль — не исключение. Умные алгоритмы, обрабатывающие данные с камер и датчиков в реальном времени, станут основой для управления транспортными потоками, настройки светофорных циклов и даже автоматизированной борьбы с гололедом. Уже сегодня появляются роботизированные асфальтоукладчики, автономные катки и строительная техника, которая работает под управлением ИИ с точностью до сантиметра благодаря спутниковой навигации. Например, платформа от компании «Телематика» использует машинное обучение для мгновенного распознавания аварий и нарушений на трассах, повышая безопасность дорожного движения.
Дополненная реальность (AR) при проектировании. Использование AR — очков для визуализации проектов на реальной местности — позволит улучшить пространственную плавность трассы и сократить ошибки. Например, программы вроде AutoCAD Civil 3D позволяют создавать динамические 3D-модели дорог, которые можно накладывать на реальную местность через AR-очки. Это помогает инженерам анализировать пространственную плавность трасс, корректировать рельеф и избегать конфликтов с инфраструктурой.
Энергогенерирующие покрытия и дороги с подогревом. Данные технологии включают в себя применение солнечных панелей в дорожном полотне для выработки электроэнергии или внедрение в дорожную одежду пьезоэлектрических элементов, преобразующих динамическое воздействие от движущегося транспорта в электричество. Для предотвращения образования снежно-ледяных отложений в дорогу встраивают электрические нагревательные элементы или системы циркуляции горячей жидкости. «Технология заключается в укладке дополнительного слоя, который включает в себя нагреватели и сеть датчиков, отслеживающих текущую температуру дорожного полотна. Во время строительства его достаточно просто размотать из рулона и уложить. При этом система подсоединена и к метеослужбе , чтобы быстро среагировать при выпадении осадков. Потребляемая мощность может варьировать в зависимости от этого фактора», — пояснил кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги и мосты» ПНИПУ Кирилл Юрьевич Тюрюханов.
3D-печать элементов дорожных и мостовых конструкций. Создание элементов мостов, путепроводов и водопропускных труб, бортовых камней, дорожных ограждений, элементов обустройства и обстановки дорог с помощью 3D-принтеров ускоряет строительство, сокращает отходы, позволяет создавать сложные пространственные формы, снижает транспортные расходы и уменьшает собственный вес конструкций.
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
Обозрение "Terra & Comp".
