Асфальт
Асфа́льт (др.-греч. ἄσφαλτος «горная смола») — природная или искусственная битумная смесь чёрного или чёрно-бурого цвета с характерным блеском, применяемая в дорожном строительстве, гидроизоляции и других технических целях[1]. В современном понимании включает как природные битумные материалы, так и искусственные асфальтобетонные смеси, которые составляют основу современного дорожного покрытия.
Происхождение термина
Этимологические корни слова уходят в античную эпоху, когда древние греки систематизировали знания о природных битумных веществах. Термин отражал понимание материала как особого вида минеральной смолы, выделяющейся среди других горных пород своими уникальными свойствами. Историческое название «иудейская смола» также встречается в древних источниках, указывая на географическую привязку к ближневосточному региону.
В различных культурах асфальт получал специфические наименования, отражающие местные особенности его добычи и применения. Персидское слово «мумия», от которого произошёл современный термин, первоначально обозначало именно природную чёрную смолу или асфальт, что подчёркивает историческую связь между различными сферами использования этого материала[2].
Физико-химические свойства
Природный асфальт представляет собой твёрдую легкоплавкую массу с плотностью около 1,1 г/см3 и температурой плавления в диапазоне 20–100 °C[3]. Материал легко растворяется в терпентинном масле, нефти и бензине, что определяет специфику его обработки и применения. Элементный состав включает 80–85 % углерода, 10–12 % водорода, незначительное количество серы и кислорода.
Структурные компоненты природного асфальта включают 25–40 % масел и 60–75 % смолисто-асфальтеновых веществ, которые определяют его пластические и адгезионные свойства. Искусственные асфальтобетонные композиции содержат от 15 % до 60 % битумного связующего в зависимости от назначения и технических требований[3]. Термопластические характеристики позволяют материалу размягчаться при нагревании до 100 °C, что обеспечивает технологичность укладки и формования покрытий. Природный асфальт характеризуется раковистым изломом с блестящей или тусклой поверхностью, что позволяет визуально отличать его качественные разновидности. Водостойкость и химическая инертность к большинству кислот делают асфальт незаменимым материалом для гидроизоляционных работ в агрессивных средах.
Природные месторождения
Формирование природных асфальтовых залежей происходит в результате естественной трансформации тяжёлых нефтяных фракций под воздействием геологических процессов. Первые систематические исследования российских месторождений были проведены А. А. Летним в 1874 году на берегу Волги[4]. Испарение лёгких компонентов нефти и последующее окисление под влиянием атмосферных факторов приводит к концентрации битумных веществ в проницаемых горных породах.
Современные месторождения распространены на территории бывшего СССР, в Канаде, Франции, Венесуэле и на острове Тринидад. Содержание асфальта в породах варьируется от 2 % до 20 %, образуя как пластовые жильные залежи, так и обширные пропитанные массивы[3]. Наиболее значительные коммерческие запасы сосредоточены в битумном озере Пич-Лейк, где сосредоточено от 6 до 10 миллионов тонн высококачественного материала.
Промышленная разработка месторождений
Республика Тринидад и Тобаго обладает крупнейшими в мире коммерческими запасами природного асфальта, сосредоточенными в битумном озере Пич-Лейк на юго-западе острова Тринидад. Местные индейцы использовали этот асфальт для пропитки своих каноэ задолго до прихода европейцев. Первые попытки промышленного освоения предприняли испанцы в конце XVIII века, однако масштабная разработка началась лишь в 1850 году.
В 1888 году была основана The Trinidad Lake Asphalt Company, которая до сих пор осуществляет добычу материала. В 1978 году компания была преобразована в национальную государственную корпорацию Lake Asphalt of Trinidad and Tobago, Ltd[5]. В 1990-х годах ежегодная добыча составляла примерно 200 тысяч тонн, при этом около 80 % продукции направлялось на экспорт. Стоимость экспорта в 1999 году достигла 30 миллионов долларов, что подтверждает высокую коммерческую ценность тринидадского асфальта.
Помимо Пич-Лейк, на острове Тринидад выявлено ещё 15 месторождений природных асфальтов с суммарными геологическими запасами 180 миллионов тонн и прогнозными ресурсами 10,5 миллиона тонн. При современном уровне добычи запасов основного месторождения хватит не менее чем на 400 лет, что обеспечивает долгосрочную стабильность отрасли.
Применение в древности
Использование асфальта древними цивилизациями охватывало обширные территории от Месопотамии до Рима, где материал применялся для гидроизоляции храмов, резервуаров и судов. Финикийцы и египтяне активно использовали гидроизоляционные свойства материала в кораблестроении и при строительстве сооружений. Египтяне также применяли асфальт при мумификации, что отражено в этимологии самого слова «мумия»[2].
Мёртвое море служило крупнейшим источником асфальта в древности и вплоть до конца XIX века именовалось Асфальтовым озером. Римляне называли его Lacus Asphaltites, что отражало основную ассоциацию водоёма с добычей битумных материалов. Последний зафиксированный случай естественного всплытия крупных асфальтовых глыб произошёл в 1960-х годах, когда на поверхность поднялся кусок массой более тонны.
Современное производство
Французские инженеры впервые начали систематическое применение природного асфальта в дорожном строительстве с 1824 года, заложив основы современных технологий[6]. Температурная классификация асфальтобетонных смесей включает горячие составы, укладываемые при температуре не ниже 120 °C, при этом нагрев заполнителя достигает 150–160 °C, а для полимер-модифицированных битумов — до 170–180 °C. Тёплые смеси применяются при пониженных температурах укладки (примерно 100–140 °C), что позволяет снизить энергозатраты. Холодные композиции изготавливаются на основе битумных эмульсий и могут применяться без подогрева, но укладываются, как правило, при положительных температурах воздуха (не ниже +5 °C)[7].
Технологические нормы предусматривают контроль температуры асфальтовых вяжущих и строгое соблюдение температурных режимов при смешивании. С 2009 по 2012 год применение тёплых асфальтобетонных технологий (WMA) в США выросло на 416 %, и в 2012 году WMA составляли порядка 24–26 % от общего объёма смесей[8]. Мастичные асфальтобетонные смеси (mastic asphalt) подвергаются «созреванию» в течение примерно 6–8 часов и обычно укладываются слоем порядка 20–30 мм для дорожных покрытий; в некоторых применениях (например, кровельных или внутренних) — около 10 мм.
Развитие технологий
Патентные разработки Эдварда Де Смедта 1870 года и Эдгара Пурнелла Хули 1902 года революционизировали технологии приготовления и механизированной укладки асфальтобетонных смесей[6]. В Санкт-Петербурге в XIX веке проводились первые экспериментальные попытки асфальтирования дорожных покрытий (архивные документы свидетельствуют о тестовых отрезках в 1830–1840-е годы)[9]. В Москве городская дума уже в 1870–1880-е годы рассматривала выделение средств на асфальтные работы в центральных районах города[10]. Российские исследования и проекты асфальтовых покрытий развивались благодаря деятельности отечественных инженеров, в том числе Буттаца, которому приписывают первые попытки производства асфальта в России в начале 1870-х годов. В США, в свою очередь, инженер Edward de Smedt в 1870 году применил один из первых асфальтовых покрытий в Ньюарке, что стало важным этапом в развитии американских дорожных технологий.
Специальные применения
Уникальные оптические свойства высококачественного сирийского асфальта обусловили его применение в ранних фотографических технологиях, где он использовался Жозефом Ньепсом для создания светочувствительных пластин[11]. Современные высокомодульные асфальтобетонные композиции обладают модулем упругости до 13 000 МПа, что позволяет уменьшить толщину базового слоя на 25 % при сохранении несущей способности конструкции.
Асфальто-битумные лаки сохраняют термостойкость до 100–130 °C и применяются в качестве защитных покрытий металлоконструкций и электротехнических изделий. Художественные применения асфальта включают изготовление красок и лаков, где материал ценится за прозрачность и характерный золотисто-коричневый оттенок. Однако длительное воздействие света приводит к окислению и растрескиванию асфальтовых покрытий, что ограничивает область их художественного применения.
Переработка и экология
Современная индустрия рециклинга асфальтобетонных материалов достигла высоких показателей эффективности, согласно данным американской статистики 2019 года. В новых асфальтобетонных смесях содержится в среднем 21,1 % переработанного асфальтобетона (RAP) и 0,2 % переработанной кровельной черепицы (RAS)[12]. Ежегодно американские заводы перерабатывают 97 миллионов тонн RAP и 1,1 миллиона тонн RAS, что делает асфальтобетон лидером среди строительных материалов по объёмам вторичного использования.
Технические ограничения рециклинга связаны с естественным старением асфальтового связующего, составляющего 5–6 % от массы типичной смеси. При обычных технологиях смешивания верхний предел содержания переработанных материалов составляет 50 %, после чего требуется применение специальных восстановителей. Законодательные требования ряда штатов, включая Калифорнию, предписывают обязательное включение резиновой крошки из переработанных автомобильных шин в состав дорожных покрытий.
Долговечность покрытий
Научные исследования акустических свойств асфальтобетонных покрытий, начатые в 1970-х годах, выявили их преимущества в снижении транспортного шума[13]. Математическое моделирование процессов разрушения показало, что ущерб от транспортного воздействия пропорционален четвёртой степени нагрузки на ось: удвоение веса приводит к шестнадцатикратному увеличению повреждений. Недостаточное уплотнение поверхности снижает срок службы покрытия на 30–40 %, а неправильно выполненные коммунальные траншеи могут сократить долговечность на 50 %.
Температурные режимы укладки критически влияют на качество готового покрытия: для обычного асфальта оптимальная температура составляет около 150 °C, для полимер-модифицированного — 165 °C. Набор проектной прочности цементобетонными основаниями происходит на 28-й день, что отличает их от асфальтобетонных покрытий, готовых к эксплуатации сразу после укладки. Современные технологии позволяют достичь замещения до 100 % первичных материалов переработанными компонентами при условии применения соответствующих добавок и восстановителей.
Литература
- Асфальт // Большая российская энциклопедия. — М., 2005. — Т. 2. — С. 429.
- Асфальт // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890–1907.
Примечания
- ↑ Асфальт // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890–1907.
- ↑ 2,0 2,1 Bouras-Vallianatos P, Käs F. Treating with minerals in the Middle Ages: the rare substance mūmiyā' (pitch-asphalt) and its medicinal uses in Byzantium // Med Hist.. — 2024. — № 68(3). — P. 223–236.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 Асфальт // Большая российская энциклопедия. — М., 2005. — Т. 2. — С. 429.
- ↑ Летний, Александр Александрович // Русский биографический словарь. в 25 томах. — СПб.-М, 1896–1918.
- ↑ Lake Asphalt of Trinidad and Tobago. Official Trinidad Lake Asphalt website.
- ↑ Lay, Maxwell; John, Metcalf; Kieran, Sharp. The first asphalt pavements, produced in 19th-century France and England // Taylor & Francis. — 2020. — P. 113–130.
- ↑ ГОСТ 9128–2013 // Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Введ. 2014-01-01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 43 с.
- ↑ Hansen, K. R., Copeland, A. Asphalt. Pavement Industry Survey on Recycled Materials and Warm-Mix Asphalt Usage: 2009–2012 // National Asphalt Pavement Association. — 2013. — № 138. — P. 19.
- ↑ Morozan, V.V. History of St. Petersburg’s Pavements // Журнал «Russian History». — 2023.
- ↑ Morozan, V.V. First Domestic Asphalt Paving Companies // Журнал «Russian History». — 2024.
- ↑ Биографические очерки В. Ф. Буринского. Луи Дагер и Жозеф Ньепс. Их жизнь и открытия в связи с историей развития фотографии.
- ↑ Williams, Brett. Asphalt Pavement Industry Survey on Recycled Materials and Warm-Mix Asphalt Usage 2019 (Information Series 138) 10th Annual Survey // National Asphalt Pavement Association.
- ↑ Hogan, C. Michael. Analysis of highway noise. Water, Air, and Soil Pollution // Springer Nature. — 1973. — № 2 (3). — С. 387–392.