Assessment of the possibility of using permeable asphalt pavement in the Perm Territory

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации дорожное строительство демонстрирует активное развитие и значительные достижения. РОСАВТОДОР, подводя отраслевые итоги 2025 г., сообщил о реконструированных и отремонтированных более 4,7 тыс. км подведомственных автомобильных дорог. В Пермском крае по информации министерства транспорта пермского края в нормативном состоянии по итогам 2025 г. находятся 80,95% дорог региона, за год показатель увеличился на 2,24%. В том числе было отремонтировано 97 км дорог и 30 мостов рамках нацпроекта «Инфраструктура для жизни».

В настоящий момент дорожно-строительная отрасль сталкивается с рядом вызовов, среди которых: недостаточное финансирование региональных дорожных фондов и рост стоимости строительных материалов. Для обозначения целей развития дорожной отрасли была разработана транспортная стратегия Российской Федерации до 2030 г. с прогнозом на период до 2035 г., которая обозначает основные задачи развития транспортной сети государства, среди которых:

1) повышение пространственной связанности и транспортной доступности территорий;

2) повышение мобильности населения и развитие внутреннего туризма;

3) увеличение объема и скорости транзита грузов и развитие мультимодальных логистических технологий;

4) цифровая и низкоуглеродная трансформация отрасли и ускоренное внедрение новых технологий [1–2].

Для решения поставленных задач необходимо внедрение в применение инновационных материалов, которые позволили бы получить лучшие технико-эксплуатационные результаты, либо при своем применении несли положительный экономический эффект. Одним из таких материалов являются дренирующие асфальтобетонные (ДАБ) смеси.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДРЕНИРУЮЩИХ АСФАЛЬТОБЕТОНАХ. СРАВНЕНИЕ ДАБ С ЩМА

Дренирующий асфальтобетон – это искусственный материал, применяемый в качестве дорожного покрытия, с большим количеством сообщающихся пор, что достигается применением в его составе щебня определенного гранулометрического состава. Он укладывается поверх плотного асфальтобетона для быстрого и постоянного отвода воды с поверхности проезжей части. История его применения берет свое начало в Калифорнии (США), где в 1944 г. впервые был использован данный вид асфальтобетона. В России первый опытный участок ДАБ был уложен 2013 г. на правой стороне дороги М-4 «Дон» с 1201-го км по 1203-й км. На Данный момент в РФ разработаны технические условия на приготовление дренирующих асфальтобетонных смесей и асфальтобетона СТО Автодор 2.15-2016 [3–5].

Классификация ДАБ происходит по нескольким отличительным признакам:

В зависимости от остаточной пористости:

• 1 тип (12-16%);
• 2 тип (16-24%).

По типу вяжущего ДАБ делят:

• с битумом нефтяным дорожным;
• с модифицированным битумом нефтяным дорожным;
• с полимерно-битумным вяжущим;
• с полимерными смолами (экспериментальные составы).

По гранулометрическому составу:

• Мелкозернистые (макс. размер зерен 5–10 мм).
• Среднезернистые (10–15 мм).
• Крупнозернистые (15–20 мм).

Дренирующие покрытие пропускает через себя воду в направлении поперечного уклона, поэтому требуется организация отвода воды из покрытия. СТО Автодор 2.15-2016 рекомендует применять следующие схемы отвода: через обочину (при ее применении при устройстве укрепления обочины из щебня необходимо укладывание геомембраны, для предотвращения попадания воды в откосную часть земляного полотна); с устройством лотка для сбора воды вдоль кромки верхнего слоя покрытия (необходимо устройство ливневой канализации или водосбросы через каждые 50–400 м). На Рис. 1 представлена схема движения воды в пределах слоя износа дренирующего покрытия.

 

Рис. 1. Схема движения воды в пределах слоя износа дренирующего покрытия (поперечный профиль)

Fig. 1. Water flow pattern within the wear layer of the permeable coating (transverse profile)

 

Необходимо учитывать, что при продольном уклоне более 40‰ включительно вода при просачивании через покрытие будет стекать параллельно оси дороги, а не к обочинам, как предполагает технология, что делает применение ДАБ в таких условиях неуместным [4].

Щебеночно-мастичный асфальтобетон (ЩМА) в среднем имеет остаточную пористость после уплотнения пределах 1–4% по объему, в то время как ДАБ 12–24%, из которых в среднем 16% являются сообщающимися. При проектировании дренирующего покрытия необходимо учитывать коэффициент засоряемости пор, т.к. в процессе эксплуатации дороги поры будут подвергаться засорению пылью и грязью, поэтому необходимо закладывать коэффициент в приделах 19–30% [6, 7].

Отметим, что множество пор ДАБ способствует снижению стоимости по сравнению с ЩМА за счет уменьшения доли асфальтобетонной смеси в общем объеме слоя. Экономия достигается непосредственно за счет снижения количества материала и стоимости его транспортировки.

Выделяя положительные качества ДАБ, следует отметить, прежде всего, повышение безопасности дорожного движения. Такие покрытия способствуют существенному снижению аварийности за счет минимизации таких факторов, как брызги от впереди идущих транспортных средств и блики от солнечных лучей после дождя. ДАБ также демонстрируют устойчивость к снижению коэффициента сцепления в условиях осадков, и образования водяной пленки, что снижает риск аквапланирования. При температуре выше 0℃ лед и снег на покрытиях из ДАБ тают быстрее по сравнению с традиционными материалами, что также способствует повышению безопасности [6–9].

ДАБ по сравнению с ЩМА демонстрирует в два раза меньшую подверженность пластическим деформациям. Это позволяет увеличить срок службы слоя износа из ДАБ по сравнению с покрытиями из ЩМА [6].

При сдаче коэффициент сцепления ДАБ превышает аналогичный показатель ЩМА–10 на 15–18% и остается на том же уровне как минимум в течение года эксплуатации. Дополнительным преимуществом является снижение шума от колес, особенно эффект заметен при применении минерального материала меньших фракций и большей пористости, а также возможность использования отходов производства по типу доменных и фосфорных шлаков [6, 8, 11–14].

Кроме преимуществ ДАБ обладает рядом недостатков. Со временем дренажные покрытия засоряются и теряют свой первоначальный коэффициент фильтрации. Этот коэффициент можно восстановить с помощью моек высокого давления или вакуума, однако процесс очистки является трудоемким и экономически нецелесообразным в некоторых случаях. Поэтому иногда более эффективным решением является ожидание окончания срока службы покрытия и его последующая замена, либо фрезерование слоя износа на небольшую глубину и укладка свежего материала. Второй метод по исследованиям зарубежных ученых является экономически предпочтительным, т.к. больше всего засоряется верхняя часть слоя износа. Высокая пористость дренажных покрытий увеличивает площадь контакта кислорода с поверхностью битумного вяжущего. Это значительно ускоряет старение материала и может привести к таким дефектам, как выкрашивание и шелушение. Кроме того, покрытия из ДАБ имеют на 10–15% более низкие прочностные характеристики по сравнению с ЩМА. При зимнем содержании дороги с дренирующим покрытием также необходим особый контроль. В частности, исключение или значительное снижение применения фрикционных и комбинированных противогололедных материалов (ПГМ) и дооборудование отвалов снегоуборочной техники резиновым наконечником (в качестве него зачастую выступает конвейерная лента) предотвращает сколы отдельных частиц щебня покрытия [8–10].

Эксплуатация ДАБ в районах с холодным климатом сопряжена с рядом специфических трудностей. В случае, когда отвод воды из покрытия невозможен из-за засорения, либо переход границы температуры замерзания воды произошел во время влажной погоды (например, морозу предшествовал сырой снег), то за счет расширения воды при замерзании возможны внутренние повреждения покрытия, что в дальнейшем может проявиться в виде выкрашивания, шелушения, образования колей и трещин. Аналогичные процессы происходят при затяжной весне, когда неоднократно выпадает снег, тает и замерзает в порах покрытия.

ВОЗМОЖНОСТЬ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЕ ДРЕНИРУЮЩИХ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ В УСЛОВИЯХ ПЕРМСКОГО КРАЯ

На основании информации содержащейся СП 131.13330.2025 и СП 34.13330.2025 можно сделать вывод, что территория Пермского края относится ко II дорожно-климатической зоне, 2 подзоне. Кроме того, Пермский край относится ко второму типу местности по характеру и степени увлажнения. Осадков за год выпадает 470–500 мм, а испаряемость с поверхности почвы составляет около 340 мм. Средняя продолжительность периода со снежным покровом в среднем составляет 176 дней, а период со среднесуточной температурой воздуха ниже 0°C длится от 159 до 173 дней. Число дней с жидкими осадками изменяется от 83 до 121 дня, суточный максимум осадков варьируется от 56 до 75 мм [15, 16] (Рис. 2).

 

Рис 2. Схематическая карта районирования по продолжительности периода с устойчивыми морозами (СП 131.13330.2025)

Fig. 2. Schematic map of zoning by duration of the period with stable frosts (SP 131.13330.2025)

 

Климат умерено-континентальный, характеризуемый большими суточными и годовыми колебаниями температуры воздуха. Зима в регионе продолжительная и снежная, максимальное количество осадков в холодное время г. выпадает в декабре, а минимальное – в феврале и марте. Летний период характеризуется выпадением до 40% всех годовых осадков. В связи с суровым климатом 3 муниципальных округа Пермского края: Гайнский, Косинский и Кочевский приравнены к районам крайнего севера [17].

Регион характеризуется развитой промышленно-индустриальной экономикой, включающей производство авиационных и ракетных двигателей, машиностроение, изготовление титановых изделий, а также производство удобрений, нефтехимическую и лесообрабатывающую отрасли [18].

Транспортная инфраструктура играет ключевую роль в обеспечении экономической активности Пермского края. Через его территорию проходит транспортный коридор Е–22, к которому примыкает федеральная трасса Нытва – Кудымкар (А–153). Эта трасса является частью формирующегося Северного широтного транспортного коридора, включающего маршрут Пермь – Сыктывкар – Котлас – Санкт-Петербург. Кроме того, регион пересекает автомагистраль М–7 «Волга», образуя вместе с трассой А–153 и Е–22 основные транспортные артерии региона. При текущем уровне экономического развития растет и интенсивность движения транспорта на автомобильных дорогах, в частности значительно возрастает количество большегрузной техники.

Исходя из климатических и экономических особенностей региона, мы рассмотрели ДАБ как вариант решения некоторых проблем.

В Пермском крае средняя испаряемость осадков не превышает их годовой суммы, значительная часть которых выпадает в летний период. Это может негативно влиять на дорожное покрытие и увеличивает риск движения по мокрой проезжей части. Применение ДАБ позволяет уменьшить воздействие осадков на состояние дороги благодаря быстрому отводу воды с ее поверхности. Постоянный отвод влаги способствует повышению безопасности дорожного движения, что подробнее рассматривалось в предыдущем параграфе. В результате снижается аварийность на дорогах, сооруженных с такими покрытиями, что приводит к положительному экономическому эффекту.

Тем не менее, анализируя возможность строительства верхнего слоя покрытия из ДАБ в условиях Пермского края, вытекают следующие недостатки, требующие дополнительных решений.

Весенний период в крае начинается во второй половине апреля и заканчивается в начале июня, тем самым составляет от 45 до 60 дней, в это период частым явлением являются скачки температуры от отрицательных к положительным значениям и наоборот, что негативно сказывается на состоянии покрытия автомобильных дорог [12]. При частых циклах замерзания и оттаивания воды в неровностях и порах асфальтобетона происходит ее расширение и как следствие нарушение структуры асфальтобетона. Этот процесс усугубляется тем, что в сравнении с плотным асфальтобетоном, дренирующий асфальтобетон содержит на 10 – 20% больше пор, что может ускорить его разрушение [6]. Ко всему прочему свое влияние приносит интенсивное движение большегрузного транспорта, перевозящего продукцию промышленности края.

При использовании дренирующей асфальтобетонной смеси на основе нефтяного дорожного битума могут наблюдаться более низкие прочностные характеристики по сравнению со смесями на модифицированных вяжущих и битумно полимерных вяжущих. В условиях холодного климата Пермского края рекомендуется применять смеси с добавками, которые улучшают их физико-механические свойства. Например, известны смеси, содержащие резиновую крошку и вторичный линейный полиэтилен низкой плотности или имеющие в своем составе адгезионные добавки. Эти компоненты значительно улучшают прочностные характеристики и устойчивость к образованию трещин. Кроме того исследования данных составов показывают лучшее сопротивление колееобразованию в сравнении с ЩМА [19–22].

На сегодняшний день на территории г. Пермь активно используются химические реагенты для борьбы с зимней скользкостью на дорогах, однако вне города чаще всего применяются комбинированные ПГМ, в частности песко-соляные смеси (ПСС). В случае эксплуатации покрытия из ДАБ будет необходим переход к химическим противгололедным материалам, в противном случае песок, входящий в состав ПСС, будет забивать поры покрытия и снижать коэффициент фильтрации, из-за чего необходимо будет регулярно проводить очистку пор, а соль, входящая в состав ПСС ускорит деградацию покрытия. Отказ от применения ПСС вне города приведет к дополнительным расходам на зимнее содержание, но и сохранения использования ПСС на дренирующих покрытиях так же приведет к расходам на очистку покрытия. Однако в некоторых исследованиях указывается, что применение ДАБ снижает расход ПГМ за счет лучшего нагрева покрытия от солнца. Кроме того к дополнительным затратам может привести дооборудование снегоуборочной техники более мягкими щетками и резиновыми наконечниками отвалов, для предотвращения выкрашивания отдельных частиц щебня из покрытия [9].

В диссертации Ширяева Н.И. [6] говорится об уменьшении эффективности работы ДАБ в условиях, когда его эксплуатация в закрытом состоянии (с покровом снега) составляет 125 дней в год и более. Наиболее короткий период устойчивого снежного покрова в Пермском крае приходится на его Юго-Западные, Западные и центральные районы и составляет в среднем 162–168 дней, что превышает рекомендуемое значение на 37–43 дня [23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ДАБ обладает значительным потенциалом для повышения безопасности дорожного движения и улучшения эксплуатационных характеристик дорожного покрытия в условиях, когда в регионе использования покрытия часто выпадают жидкие осадки, что свойственно Пермскому краю.

В настоящее время использование ДАБ в текущем виде в Пермском крае нецелесообразно из-за множества недостатков этого материала. Однако необходимо отметить, что экспериментальные исследования по применению ДАБ в условиях Пермского края еще не проводились. Мы предполагаем, что подбор более подходящего состава для северного климата позволит в некоторой степени снизить отрицательные свойства ДАБ и улучшить его эксплуатационные характеристики. В связи с этим нами были выдвинуты следующие рекомендации по его возможному экспериментальному применению на территории Пермского края:

Применение более прочных ДАБ, например, приведенные в статье смеси, содержащие резиновую крошку и вторичный линейный полиэтилен низкой плотности.

Отказ от ПСС в пользу жидких реагентов, либо в пользу крупно фракционных фрикционных противогололедных материалов (таких как песок фр. ≥ 2мм), т.к. крупно фракционные материалы не проникают настолько глубоко в поры ДАБ, как песок, входящий в состав ПСС, что снизит трудозатраты на его очистку.

Рассмотреть возможность и целесообразность применения полимерных и битумно-полимерных вяжущих в качестве более устойчивых к циклам замерзания-оттаивания альтернатив битумному вяжущему.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Viktor A. Bereznev

Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov

Author for correspondence.
Email: viktorbereznev@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-2452-1624
SPIN-code: 9448-4405

Cand. Sci. (Geology and Mineralogy), Associate Professor

Russian Federation, Perm

Olga V. Kryukova

Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov

Email: shhe-olenka@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-2344-2102
SPIN-code: 9985-9782

Senior Lecturer

Russian Federation, Perm

Maria N. Chernikova

Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov

Email: filipjevam@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6427-0208
SPIN-code: 2660-0806

Senior Lecturer

Russian Federation, Perm

Nikolai D. Yakimov

Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov

Email: DerivatDeliriya@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-8204-3436
SPIN-code: 5716-1626

Laboratory Assistant

Russian Federation, Perm

References

Supplementary files