В дорожном строительстве широко применяют нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой нефтяного сырья. В статье приведена динамика развития дорожных покрытий, исследования, связанные с улучшением их свойств и развитие конкуренции среди технологий.
Большое значение для повышения качества и долговечности черных покрытий имеют исследования, связанные с улучшением свойств дорожных битумов и с применением поверхностно-активных веществ, в которых теоретически обоснованы и сформулированы требования к дорожным битумам, определены оптимальные структуры для различных типов, и даны предложения по технологии получения битумов оптимальной структуры с учетом природы перерабатываемой нефти.
Крупные нефтеперерабатывающие предприятия и компании в настоящее время стремятся использовать передовые технологии и материалы в производстве битумных материалов.
Ключевые слова: нефтяные битумы, природный асфальт, черные покрытия, битумное производство, российский рынок, дорожное строительство, оптимальные структуры, передовые технологии
Сегодня технический прогресс невозможно представить без развития автомобильного транспорта и строительства скоростных автомобильных магистралей. В связи с этим нефтяной битум как товарный нефтепродукт и связующий материал для приготовления асфальтобетона, востребован в народном хозяйстве страны.
В дорожном строительстве широко применяют нефтяные (искусственные) битумы, получаемые переработкой нефтяного сырья, которые по составу сходны с природными битумами [1,2]. Природные битумы представляют собой твердые или вязкие смолистые вещества, образующиеся из тяжелых фракций нефти в результате длительного выветривания. Встречаются в природе в виде пластовых жильных залежей, а также озер в местах естественного выхода нефти на поверхность земли или пропитывают осадочные горные породы (известняки, песчаники) [1,2].
«Bitumen» на латинском языке означает (липкий, смолистый) и происходит от «jatu» (санскрит), смола, выделяющаяся из деревьев [2].
Природные битумов (асфальты) были известны еще на заре цивилизации) [1,2]. В Индии было обнаружено самое древнее сооружение с применением природного асфальта [3]. Это бассейн, облицованный асфальтом, в городе Мохенджо-Даро, возраст которого превышает 5 тыс. лет. [3]. Известно применение природных битумов-асфальтов в качестве клеящего материала в 2500–3000 годах до н. э. народом, населявшим долину Евфрата [3].
Асфальтом в Древнем Египте 5000 лет назад в амбарах для хранения зерна пол и стены покрывали асфальтом [3,4]. За 400–500 лет до нашей эры в Мидии стены крепостей строились из кирпичей, скрепляемых битумом [3,4]. Первые участки Великой китайской стены возводились на битуме, а для строительства зданий и башен, водопроводных и водосточных каналов, туннелей, в медицине, для мумификации трупов и др. использовались битумы и асфальты [3,4].
В XIX веке улицы всех городов мира в городах мостились камнями, и лишь в период 1832–1835 гг. упоминается опыт по мощению городских улиц и тротуаров Парижа асфальтом [3]. Позже, в 1835–1840 гг., битумы нашли применение при устройстве дорог Лондона, Вены, Лиона, Филадельфии и других городов [3].
В связи с открытием месторождений битум содержащих пород во Франции, Швейцарии, Германии, в 1700–1800 г г. в Западной Европе начинаются работы по их применению в устройстве полов, тротуаров и гидроизоляции [3]. В 1835 г. были уложены первые тротуары в Париже, годом позже — в Лондоне, через три года — в Филадельфии [3]. Дорожное покрытие из битумно-минеральных смесей начинают делать с середины XIX века во Франции, США, Швейцарии и других странах и первое асфальтобетонное покрытие впервые применили во Франции для покрытия тротуаров Королевского моста в Париже [3].
В Российской империи первое асфальтовое покрытие тротуаров было осуществлено в 1866 г. в Петербурге, и в 1869 г.- в г. Кронштадте [4] с использованием ганноверской битуминозной породы, хотя к этому времени было уже открыто несколько месторождений битумосодержащих пород в России. Первое из них (битуминозные известняки) было открыто в Сызрани в 1724г., а в 1871 г. в этом городе стало функционировать предприятие по изготовлению асфальтовой мастики [3], а в следующем году асфальт стали довольно широко использовать на обычных питерских улицах, площадях и во дворах, и к 1880 году им были покрыты многие улицы в Кронштадте, Москве, Риге, Харькове, Киеве и Одессе [4].
Впервые литой асфальт применили в 1876 году в США, приготовленный с использованием природных битумов [3]. Затем, в 1892-м, индустриальным методом была построена первая дорожная конструкция шириной 3 метра, а еще через 12 лет с помощью гудронатора со свободным истечением горячего битума построили 29 км дороги [3].
Огромным стимулом развития нефтяной промышленности стало появление автомобилей, первым из которых в 1896 г. был собран Г. Фордом, а в России они появились в 1901 г. и к 1913 г. их было 8800 [4,5]. И в связи с этим существующая дорожная сеть «автогужевые дороги» должна была одновременно пропускать гужевые повозки и автомобили. [4,5]. Объем строительства автогужевых дорог до первой мировой войны был незначителен, преимущественно по стратегическим направлениям к границам и для занятия безработных из голодных губерний [4,5]. В 1891- 1895 г.г. от Новороссийска до Сухуми было построено так называемое «голодное шоссе» [4–6] в котором девяносто тысяч голодающих крестьян принимало участие в строительстве шоссе вдоль берега моря [4,5]. И только в 1924 году шоссе было покрыто щебенкой, в конце тридцатых годов местами покрыто асфальтом, в 50–60 годы двадцатого столетия было значительно расширено [5].
Булыжные мостовые, щебеночные, гравийные дороги составляли протяженность до 21 тыс. км, дорог с покрытиями капитального типа не было совсем [4]. После окончания гражданской войны было построено много грунтовых дорог, названных населением «грейдерами», которые без систематического надзора и ухода быстро разрушались [4].
Асфальт (асфальтобетон) оказался лучшим решением для бурно развивавшейся автомобильной индустрии [7]. Дороги, покрытые асфальтом, изготавливались с использованием искусственных битумов [7]. Битумы получали окислением воздухом тяжелых остатков перегонки нефти при температурах 240°-300°С [7]. Впервые в промышленных масштабах окисленные нефтяные битумы начали производить в 1844 г. (по предложению Ж. Г. Биерлея) путем барботажа воздуха через слой нефтяных остатков при 204° и 316 °С [7].
Зарождение дорожной индустрии в России можно отнести к 20 годам прошлого столетия, когда для решения проблемы дорог создавались специальные управленческие структуры при Наркомате путей сообщения [6]. В 1923 году при Народном комиссариате путей сообщений (НКПС) создаётся дорожное исследовательское бюро, занимающееся исследованиями земляного полотна [6]. Возникли исследовательские станции на Северном Кавказе, в Поволжье и на Дальнем Востоке [6]. С 1925 г. начали строить первые усовершенствованные покрытия на загородных дорогах (Крым) с применением дегтя, а затем битума [6]. В 1925 г. на Всероссийском съезде работников промышленности строительных материалов были приняты номенклатура и классификация органических вяжущих материалов [6].
Впервые окисленный битум был получен в 1914 г. в Грозном а развитие производства окисленных битумов в СССР началось с 1925 г. в г. Баку [4,7].
К 1922–1928 гг. было построено, отремонтировано и реконструировано порядка 4000 км дорог [4]. В 1928 году была разработана первая производственная инструкция по устройству покрытий с применением «битумных» вяжущих материалов при улучшении грунтовых дорог и дорог с щебеночными и гравийными покрытиями для нормального проезда автомобилей [4].
В 1928 г. началось строительство асфальтобетонных покрытий в крупных городах, а затем и на загородных дорогах [4]. В 1930 г. в Москве была сооружена эмульсионная база, которая с 1931 г. начала вырабатывать дорожные эмульсии, а в 1932 г. был построен первый в СССР завод холодного асфальта [4]. В 1931 г. были утверждены и изданы первые при Советской власти «Технических условиях, правилах и нормах для изысканий, проектирования, постройки, ремонта и содержания автогужевых дорог и мостовых сооружений на них» [3]. В этих документах наряду с другими содержались требования к дорожным материалам. В 1938 г. были разработаны технические условия, а позднее ГОСТ на вязкие и жидкие дорожные битумы [3].
Увеличение удельного веса строительства усовершенствованных гудронированных, асфальтобетонных и цементобетонных покрытий позволило автомобильному транспорту России в годы перед началом Второй мировой войны быстро развиваться [4]. Эта политика начала реализовываться в начале третьей пятилетки (1938–1942 гг.), когда темпы развития сети дорог с твердым покрытием существенно возросли, широкое распространение получил метод народной стройки дорог [4]. Строительство дорог не останавливалось и в период Великой Отечественной войны [3].
В первые годы после войны основные усилия были направлены на восстановление, ремонт и реконструкцию разрушенных дорог, а затем на строительство новых [6]. Народное хозяйство начало восстанавливаться и уже в 1948 г. производство автомобилей превзошло довоенный уровень, а в 1950 г. превысило его в два раза [6]. Получила свое развитие и дорожная сеть [6]. Были построены и реконструированы крупные автомагистрали, возрастала доля усовершенствованных покрытий (асфальтобетонных, черногравийных и чернощебеночных) в общей протяженности строящихся дорог [6].
В 1936 году на базе дорожного института РСФСР (г. Москва) создан Дорожный научно-исследовательский институт (Дорнии), а в 1966 году в СоюздорНИИ, в котором по инициативе д. т.н. А. С. Колбановской — заведующей лабораторией органических вяжущих материалов, которая большую часть своей жизни посвятила исследованию процессов структурообразования и свойств дорожных битумов, проводятся исследования, направленные на получение высококачественного органического вяжущего материала для дорожного строительства на основе битумов [6].
Башкирский научно-исследовательский институт по переработке нефти — БашНИИ НП (ныне ГУП «ИНХП РБ») был создан приказом Министра нефтяной промышленности № 258 от 12 апреля 1956 г на базе отдела переработки нефти УфНИИ [3]. Организатором и первым директором БашНИНП стал А. С. Эйгенсон — один из ведущих ученых страны в области нефтепереработки [3]. В 60-е годы институт становится ведущим в отрасли научным учреждением, определяющим перспективу развития производства нефтяных битумов [3].
Одним из крупных решений стало постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О плане строительства автомобильных дорог на 1959–1965 годы», в котором впервые был установлен дополнительный источник финансирования в виде целевых отчислений на строительство дорог республиканского и областного значения в размере 2 % от доходов по эксплуатации автомобильного транспорта [6]. Указанные решения создали базу для развития и совершенствования битумного производства и дорожной сети с начала семилетки и в последующие годы [6].
К 1970 году производство нефтяных битумов в СССР достигло значительного развития [6]. Так по сравнению с 1938 годом производство битумов в 1958 году увеличилось в 10раз, в 1965 г. почти в 20 раз, 1970 г. в 30 раз [6]. Производство нефтяных битумов во всем мире в 1970 г. составило более 50 млн. т, в том числе в США 32,6 млн. т. [6].
Процесс окисления битумов осуществляется в аппаратах разного типа: кубах периодического действия, трубчатых змеевиковых реакторах и пустотелых колоннах непрерывного действия [5]. В 1920–1930 гг. в США для получения окисленных битумов вместо кубов периодического действия были предложены непрерывно действующие трубчатые змеевики [5]. В СССР метод пенного окисления нефтяных остатков в трубчатых змеевиковых реакторах был использован лишь в 1950–1960 г.г. [5]. Окисление в кубах осуществляют на старых установках или при производстве малотоннажных высокоплавких строительных марок битумов [5]. В последние годы широко применяются полые окислительные колонны в качестве реакторов непрерывно действующих битумных установок [8]. Ученые БашНИИ НП (Грудников И. Б., Фрязинов В. В., Ахметова Р. С. и др.) внесли существенный вклад в развитие технологии и аппаратурного оформления процесса производства окисленных битумов [8]. В СССР внедрение окислительных колонн началось в 1970-х годах после отработки данной технологии под руководством Р. Б. Гуна на опытно-промышленной установке Московского НПЗ [5].
В 1965 г. строительство дорог оформилось в современную отрасль народного хозяйства с необходимой материальной базой — асфальтобетонные заводы, битумные базы и т. д. [4]. Учитывая растущую долю тяжелых автомобилей, прогрессирующие темпы износа дорожных одежд и ухудшения состояния дорог под их действием, начиная с 80-х г. все большее внимание уделяется сооружению покрытий усовершенствованного капитального и облегченного типов как при строительстве новых, так и при ремонте конструкции существующих дорог [4].
В 80-годах начаты исследования в области получения вяжущих материалов на основе битума путем введения в битум эластомеров, каучуков, латексов, термоэластомеров [8–10]. Уделялось большое внимание разработке различных марок битумов для производства горячей, теплой и холодной асфальтобетонных смесей. Нефтеперерабатывающая промышленность выпускала 2–3 марки вязких битумов и 2–3 марки жидких медленногустеющих битумов. Ограниченность выпуска битумов по маркам затрудняло строительство дорожных покрытий в различных климатических условиях, а также использование местных минеральных материалов [10].
В период 1986–1990 гг. ежегодные объемы строительства и реконструкции дорог общего пользования составляли от 8 до 12 тыс. км [6]. Это были наивысшие темпы дорожного строительства в России [6]. Однако достигнутый на конец XX века уровень развития дорожной сети России далеко не соответствовал потребностям социально-экономического развития страны [6].
В организации автодорожного образования и воспитании высококвалифицированных дорожных кадров заложен большой труд профессоров П. В. Сахарова, П. Н. Шестакова, Н. В. Орнатского, А. А. Милашечкина, И. И. Прокофьева, Л. Л. Афанасьева, В.Ф. и др. [6].
К числу наиболее крупных обобщений и исследований в области асфальтобетона относятся работы Л. Б. Гезенцвея, Н. В. Горелышева, И. В. Королева, А. Н. Богуславского, А. В. Руденского, В. А. Золотарева, В. Н. Кононова, Б. И. Ладыгина, Я. В. Ковалева, В. Н. Яромко, В. В. Михайлова и др. [6].
Большое значение для повышения качества и долговечности черных покрытий имели исследования, связанные с улучшением свойств дорожных битумов и с применением поверхностно-активных веществ (В. В. Михайлов, А. С. Колбановская, Р. С. Ахметова и др.) [6]. В этих исследованиях теоретически обоснованы и сформулированы требования к дорожным битумам, определены оптимальные структуры для различных типов, и даны предложения по технологии получения битумов оптимальной структуры с учетом природы перерабатываемой нефти [6].
Исследования в области поверхностно-активных и модифицирующих веществ позволили научно обосновать механизм их действия на свойства битума и битумоминеральных материалов и показать их огромное влияние на повышение водоустойчивости, морозоустойчивости черных покрытий (В. В. Михайлов, И. М. Руденская, Д. А. Розенталь, Л. М. Гохман, И. А. Плотникова и др.
В развитии культуры дорожного строительства важную роль как идеолога играет Федеральное дорожное агентство, которое развивает конкуренцию среди технологий.
Развитие дорожной сети в России курирует несколько ведомств. Так, трассы федерального значения строит ФДА, скоростные автотрассы — Росавтодор, а дороги местного значения находятся в ведении региональных властей. Крупные нефтеперерабатывающие предприятия стремятся использовать передовые технологии и материалы в производстве битумных материалов.
Однако от развития зарубежного битумного рынка, как отмечают специалисты, российский рынок отстает приблизительно на 20–30 лет.
Вывод. Сегодня битумное производство выходит на позиции полноценного сегмента нефтеперерабатывающей промышленности. Основной заказчик дорог — это государство. При этом важную роль как идеолога развития культуры дорожного строительства играет Федеральное дорожное агентство, поддерживающее развивающуюся конкуренцию среди передовых технологий.
Литература:
- Коршак А. А. Исторические свидетельства о естественных выходов нефти/ А. А. Коршак//Территория нефтегаз.-2010. № 10. С. 86–89.
- Золотарев В. А., Р. Сотрэ Р., Я. И. Пыриг Я. И. От природного битума до искусственного асфальтобетона//Автомобильные дороги./№ 5.-2014.- С. 66–72.
- Руденская И. М., Руденский А. В. Органические вяжущие для дорожного строительства. — М.: Транспорт, 1984. — 229с.
- Мукаев И. С. Исторические аспекты использования нефтяных биту-мов в производстве асфальтобетонных смесей: На примере дорожно-строительных предприятий г. Уфы: автореф. дисс.... канд. техн. наук: 07.00.10. /Уфа. 2000.-24с.
- История Сочи. «Голодное шоссе» [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.privetsochi.ru/blog/history/51788.html.
- Строительство и реконструкция автомобильных дорог: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т. I / А. П. Васильев, Б. С. Марышев, В. В. Силкин и др.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. А. П. Васильева. — М.: Информавтодор, 2005.
- Гун, Р. Б. Нефтяные битумы / Р. Б. Гун. — М.: Химия, 1973. — 152с.
- Грудников, И. Б. Производство нефтяных битумов / И. Б. Грудников. — М.: Химия, 1983. — 192с.
- Ахметова Р. С., Фрязинов В. В., Торбеева Л. Р. Дорожные битумы нефтеперерабатывающих заводов СССР и современные требования, предъявляемые к их качеству // Высокосернистые нефти и проблемы их переработки. Труды БашНИИ НП. Вып. VIII. М.: Химия, 1968.- 296 с.
- Михайлов В. В. О повышении требований к битумам для строительства скоростных дорог/Проблемы производства и применения нефтяных битумов//Труды БашНИИ НП, Вып. XI. М.: Химия, 1973. — С.7.
