Почему городские автомагистрали «просто стерлись»?

Шип мой — враг мой

Подарок к 75-й годовщине Победы в Великой Отечественной войне получили жители Татарстана от регионального министерства транспорта и дорожного хозяйства, принявшего решение провести ремонт дорожных покрытий на 23 улицах городов республики по проекту «Улицы Победы», в том числе в Казани на проспекте Победы, где в 2016 году эти работы уже проводились. Почему же всего через 4 года на городской автомагистрали образуются колеи выше предельно допустимой глубины?

Исследования финских специалистов показывают, что основной объем колеи (70—80%) образуется вследствие износа шипованной шиной. «Вклад» высоких температур и движения тяжелых автомобилей в пластические деформации составляет 10—20%.

В среднем легковой автомобиль с шипами стирает 20—30 граммов асфальта на 1 км пробега. На абразивный износ также влияет скорость автомобиля и стиль вождения, т. е. движение по прямой или кривой, ускорение и торможение.

Но обеспечить безопасность дорожного движения без использования шипованных шин в наших климатических условиях практически невозможно. Это подтвердили и финские исследования о последствиях отказа от шипованных шин. Снижение использования шипованных шин на 30% приводит к увеличению количества серьезных аварий на 8%.

В то же время глубокая колея тоже создает опасные условия для движения транспорта. Она может служить причиной нарушения управляемости автомобиля при обгоне и перестроении. При выпадении дождя в колее накапливается слой воды, который может стать причиной аквапланирования со всеми негативными для безопасности движения последствиями. Зимой в колее могут скапливаться снежно-ледяные отложения, что усугубляет проблемы зимней скользкости.

Поэтому допустимая глубина колеи в России, как и в других странах, ограничивается. Согласно ОДН 218.0.006-2002, на автодорогах, рассчитанных на максимальную скорость 100 км/час, она составляет 20 мм, 80 км/час — 30 мм, 60 км/час — 35 мм. Участки дорог с глубиной колеи больше предельно допустимых значений относятся к опасным для движения автомобилей и требуют немедленного проведения работ по устранению колеи.

Руководство Минтранса Татарстана и комитета внешнего благоустройства Казани еще в 2016 году заверили горожан, что дороги будут строиться с прицелом на будущее и что для ликвидации колеи будет применен ЩМА-20 (щебеночно-мастичный асфальтобетон) на полимерно-битумном вяжущем (ПБВ).

Почему же на дорожном покрытии, состоящем из рекомендованных материалов, вновь появились колеи глубиной в два раза превышающей предельно допустимую? А принятые «правильные» технические решения, учитывающие и возросшую интенсивность, и климатические условия с одновременным ужесточением требований к применяемым дорожно-строительным материалам, оказались бесполезными?

К этому надо добавить, что в том же 2016 году глава профильного ведомства заявил, что будут приняты жесткие стандарты и проведены анализы дорожных покрытий на стираемость, благодаря чему гарантированный срок в четыре года будет выдержан.

Глядя на состояние казанских автомагистралей — проспект Победы, улицы Рихарда Зорге, Болотникова, Фрунзе и т. д., — можно сделать вывод, что проезд по ним становится небезопасным.

Что же делается не так?

Как правило, причина образования колеи является комплексной, и можно выделить лишь преобладающие факторы этого процесса. Один из них — шипованные шины, а конкретно — стальные шипы.

Удар шипа и соскабливание материала при выходе шипа из контакта с покрытием приводит к его абразивному износу (напоминает работу дорожной фрезы). При этом разрешенная ГОСТ 52547-2007 масса шипа для легковых шин (2,4 г) в России в 1,5—2 раза выше, чем за рубежом.

Стоит обратить внимание на то, как изменяли требования к шипам скандинавские законодатели для сохранения дорожного покрытия. Вес шипа с трех граммов они снизили до 1,1 грамма. Выступ шипа на 3,2—3,5 мм был уменьшен до 1,3 мм.

Нам тоже необходимо разработать административный регламент на использование шипованных шин, в котором надо установить требования к параметрам шипов, а именно к весу, размеру и их количеству, а также определить период разрешенного использования шипованных шин с ограничением скорости движения.

Другими факторами износа, как показали исследования финских экспертов, являются свойства материалов покрытия и тип асфальтобетонной смеси.

Износостойкость таких смесей зависит в первую очередь от качества каменных материалов (60%), гранулометрического состава смесей (20%) и битумного вяжущего (20%).

Одна из главных причин абразивного износа верхних слоев дорожного покрытия — качество щебня, используемого в этих слоях.

В 2015 году для исследования причин образования колеи на городских автомагистралях и экспертной оценки прочностных характеристик щебня были привлечены специалисты фирмы «Нерудэксперт». И анализ отобранных образцов верхних слоев в количестве более 10 штук показал следующее.

Практически весь высокопрочный щебень состоит из базальтов, диабазов, габбро и других пород основного и среднего состава, т. е. с пониженным содержанием кремнезема и, как следствие, с высокими адгезионными свойствами. Однако детальные петрографические исследования состава этих пород на прозрачных шлифах выявили наличие в их минеральном составе большого количества слабых компонентов — магнетита-гематита (фото 1), слюды (фото 2), глинистых и др.

В ряде кернов содержание слабых зерен превышает показатели ГОСТ 32703-2014 (не более 5% по массе) в 2—3 раза.

Механизм разрушения выглядит так:

• шипы при динамической нагрузке на асфальтобетонное покрытие откалывают зерна слабых пород, создавая «островки» из более твердых;
• слабо закрепленные породы практически не имеют механической связи с битумом и легко выкрашиваются на поверхность.

Финские специалисты провели оценку различных типов каменных материалов с целью применения их для производства щебеночно-мастичного асфальтобетона. На основании этой оценки в качестве каменных материалов было рекомендовано использовать габбро-диабаз, а также пироксеновый порфирит.

Были произведены тесты по устойчивости каменных заполнителей к абразивному износу под воздействием шипованных шин.

По результатам теста были получены следующие данные по абразивному износу от воздействия шипованных шин: пироксеновый порфирит в 2,4 раза лучше, чем габбро-диабаз, и в 3,6 раза лучше гранита.

Основные месторождения этого материала располагаются в Северо-Западном регионе России, что увеличивает затраты на его транспортировку в Татарстан по сравнению с доставкой с Урала. Однако именно использование пироксенового порфирита позволит увеличить эксплуатацию дорожного покрытия в два и более раза.

Еврощебень пока не про нас

Следующим по важности после качества щебня фактором, влияющим на износ покрытия, является состав асфальтобетонной смеси.

На основании данных, полученных при эксплуатации дорог в скандинавских странах за последние 20 лет, наиболее устойчивыми к износу шипованными шинами являются щебеночно-мастичные асфальтобетоны ЩМА-16, ЩМА-22, а на высокоинтенсивных участках — ЩМА-32 с содержанием высокопрочного щебня не менее 80—85%.

Если раньше для приготовления ЩМА-10,15,20 (ГОСТ 31015-2002) применялся щебень фракций 5—10 мм, 10—15 мм и 15—20 мм, то в ЩМА-16,22 (ПНСТ 183-2019) используется еврощебень размерами 4,0; 5,6; 8,0; 11,2; 16,0; 22,4; 31,5 мм.

В ЩМА с фракциями щебня 5—20 мм межзерновое пространство заполнялось битумной мастикой (битум плюс минеральный порошок) и отсевами дробления высокопрочного щебня, которое стальные шипы без проблем фрезеровали, что создавало условия для выкрашивания крупных фракций из щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Усугубляет абразивный износ покрытия проникновение воды в образовавшиеся пустоты с ее замерзанием и оттаиванием и с их дальнейшим разрушением. В летний период эти поры при положительных температурах и проездах нагретых шин заполняются битумной мастикой. А с наступлением отрицательных температур процесс абразивного износа с увеличением глубины колеи возобновляется.

В современных ЩМА-16,22 между крупными фракциями щебня располагаются мелкие, наличие которых создает высокоплотное покрытие, препятствуя быстрому разрушению от воздействия шипов.

Еврощебень с размерами, указанными в ПНСТ183-2019, карьеры в России пока еще не готовы производить. Поэтому подрядным организациям, выполняющим работы по строительству и ремонту дорожных покрытий, предстоит принять решение о приобретении дробильно-сортировочных комплексов полного цикла. Собственное производство еврощебня эффективнее, чем его раздельная доставка по фракциям железной дорогой. Достаточно доставить щебень фракции 40—70 (63-90 ГОСТ 32703-2014) и получить на дробильном комплексе требуемые фракции еврощебня.

Что касается дорожного битума, то финские специалисты считают, что он также оказывает влияние на износостойкость дорожного покрытия. С этим можно согласиться, если знать, что в Финляндии дорожный битум получают путем перегонки тяжелой арабской нефти, а в Швеции — венесуэльской на специальных битумных производствах.

В России используемый для дорожников битум не идет ни в какое сравнение со скандинавским, так как его производят путем окисления гудрона на НПЗ, где основным продуктом нефтепереработки является моторное топливо и масла, а гудрон — отход этого процесса.

Попытки модифицировать окисленный битум полимерами, помимо увеличения его стоимости, ничего не дали. Многолетние исследования по созданию модификатора (а их уже более 170) для улучшения показателей отечественных окисленных битумов результатов не принесли.

Ну как один и тот же полимер в ПБВ может повысить и теплоустойчивость ЩМА, и его износостойкость от шипованных шин? Оценивая состояние городских автомагистралей с высокой интенсивностью движения, можно констатировать, что применяемый ПБВ не влияет на абразивный износ дорожного покрытия.

И здесь хотелось бы знать, какие полимеры используют на нефтеперерабатывающих заводах при производстве ПБВ и какие свойства они ему придают. А дорожные чиновники обязаны обладать этой информацией, прежде чем рекомендовать ПБВ для производства щебеночно-мастичного асфальтобетона.

Из всего сказанного можно сделать вывод: опыт скандинавских стран свидетельствует о возможности в несколько раз снизить абразивный износ дорожных покрытий, а значит, увеличить срок их эксплуатации. И тем самым перенаправить финансовые ресурсы на ремонт многочисленных городских улиц, ожидающих своей очереди для приведения в нормативное состояние.