Тюменские ученые нашли способ спасти Россию от плохих дорог

Каждую весну на большей части территории России асфальт тает вместе со снегом. Машины объезжают бесконечные ямы, появившиеся там же, где еще в прошлом году их залатали дорожники. Порочный круг страданий водителей, дорожных рабочих, пешеходов и растраты бюджетных средств.

Главная причина того, что дороги расползаются так быстро, – пучинистость. Этим термином называют расползание грунта из-за высокой влажности. С приходом суровой и долгой русской зимы увеличивается объем грунта. Содержащаяся в грунте влага замерзает, лед имеет меньшую плотность, нежели вода, поэтому занимает больший объем, разрушая традиционно использующийся для строительства асфальт. На 65% процентах территории страны грунт постоянно находится в оледеневшем состоянии, поэтому проложить там крепкие дороги очень сложно.

Ученые из института криосферы земли Сибирского отделения РАН создали технологию, которая за небольшие деньги облегчит жизнь автомобилистам страны. Вещество, благодаря которому можно укрепить многострадальные отечественные дороги, называется гранулированный диатомит. Он создается из диатомита обычного – распространенного ископаемого вещества, похожего на глину. Диатомиты состоят из панцирей кремнистых, или диатомитовых, водорослей. Даже без специальной подготовки вещество является хорошим сорбентом, то есть легко впитывает влагу. Поэтому диатомит используют для создания порошков, фильтрации пива, вин, сиропов, осветления масел, для получения жидкого стекла. Применяется также в составе цемента и строительного кирпича.

Диатомит очень легкий, поэтому его можно применять в строительстве летательных аппаратов: космических кораблей и самолетов. Кирпич, сделанный из диатомита, настолько пористый, что не тонет в воде. Диатомит сохраняет тепло, поэтому его можно применять в строительстве домов. По утверждению ученых, такие дома простоят не меньше ста лет.

Мировые запасы диатомита оцениваются в один млрд тонн. В России уникальные свойства этого вещества недооценены. Несмотря на то, что на РФ приходится 30 трлн тонн залежей диатомита (35% мировых запасов), доля страны в его разработке составляет всего 1%. В США, где находится 250 млн тонн вещества, диатомит используют в огромных количествах в самых разных областях, в том числе в медицине, – доля его разработки составляет 55%. На Китай приходится около 110 млн тонн залежей диатомита, 30% – доля разработки.

Гранулированный диатомит выглядит как небольшие черные шарики. Их получают с помощью термической обработки вещества. Его нагревают до 700 градусов, вспенивают – получаются гранулы, которые можно использовать в различных целях. Благодаря высокой пористости, материал способен впитывать жидкость, не меняя внешний вид, свойства и структуру. Диатомит не реагирует на добавление поглощаемых жидкостей, поэтому тепла, жидкостей или летучих веществ при этом не выделяется. За счет повышенной прочности гранулы защищены от разрушения. Сорбент надежно удерживается внутри капсулы. Диатомит относится к безопасным и химически неактивным материалам, не разрушается вследствие окисления и не меняет своих свойств под действием различных факторов среды.

Благодаря таким свойствам диатомита, строители дорог смогут бороться с пучинистостью – вещество препятствует проникновению влаги в ткань дорожного покрытия, а также блокирует температурные перепады, с чем никак не справляется асфальт, который разрушается как при высоких, так и при низких температурах. Дороги, построенные из гранулированного диатомита, по словам ученых, могут служить вечность. Его производство экологически чистое, не требует больших затрат, а залежи диатомита выходят на поверхность, то есть он буквально лежит под ногами.

Основой научных разработок гранулированного диатомита стали исследования, проведенные в прошлом веке. В 80-х годах ученые Западно-Сибирского геологоразведочного нефтяного института обнаружили огромные залежи диатомита и сопутствующих пород в Западной Сибири. Группой ученых руководил кандидат технических наук Николай Константинович Иванов, который увидел огромные возможности для применения материала. Он собрал базу для изучения диатомитов и их практического применения, а также создал технологию, позволяющую применять диатомит в качестве сырья для получения жидкого стекла по «мокрому» способу, то есть путем погружения диатомита в раствор гидроксида натрия. У полученного в 80-х годах вещества был один недостаток, оно не было влагостойким. Исследования хотели продолжить и даже начали проектировать промышленный цех. Однако с приходом перестройки проект заморозили.

Восстановили работу над диатомитом только в начале 2000-х, тогда разработка превратилась в почти семейное дело. Николай Константинович Иванов вместе со своим внуком Константином Ивановым и группой студентов Тюменской архитектурно-строительной академии продолжили исследовать свойства вещества. Ученые открыли новый способ получения пеностеклокерамики – сверхпрочного, устойчивого к высоким температурам, не проводящего влагу материала. Он и станет прототипом «ДиатомИКа» или гранулированного диатомита.

В 2009 исследования продолжили в Институте криосферы земли РАН. Ученые сосредоточились на практических вопросах. Задача стояла создать материал, отталкивающий жидкость и обладающий дренажными свойствами. Планировалось расширить использование доступного и легкого в производстве диатомита в самых разных видах промышленности. Важной для российских реалий целью было найти способ упрочнить с помощью диатомита российские дороги.

Долгое время самым надежным способом построить прочную дорогу в России, а до этого в СССР, считалась заливка бетоном. Цементобетонные дороги строились по всему Союзу. Московская кольцевая автодорога одно время в народе звалась «бетонкой». Монолитные дороги строить было сложно и дорого, поэтому чаще всего их делали из отдельных плит, положенных друг за другом. Стыки плит соединялись с переменным успехом, поэтому разогнаться на них было невозможно. Сейчас эту проблему решили, и новые цементные дороги стоят дольше, больше 20 лет. Однако укладывать их долго, дорого и сложно, а при порче одного участка приходится менять всю плиту. 

Привычные асфальтовые дороги еще менее прочны. К тому же, при производстве асфальта выделяется множество вредных испарений. Не говоря о том, что производят его из нефти.

В Германии с проблемой прочности дорог справились с помощью пластин пеностекольного щебня, который укладывают на определенную глубину при строительстве автомобильных дорог. Пеностекло изготавливается из битого стекла, но наши ученые решили использовать более простые материалы – кремнийсодержащие породы (пески, песчаники), из которых это стекло получают. Обходится такой способ дорого – на 20% дороже, чем диатомит, потому что укладка пластин происходит вручную. Еще один минус: через 10–15 лет пеноплекс сжимается и теряет свои качества.

«Наша задача была получить похожий материал из биоморфного кремнезема – диатомита. И такой материал под названием "ДиатомИК" – разновидность пеностеклокерамики, был создан. После нескольких лет экспериментов и отработки технологических циклов мы были готовы создать экспериментальную линию по производству гранул различного размера, от микрогранул до щебня по два см в диаметре», – рассказал академик Института криосферы Земли РАН Владимир Мельников.      

В перспективную и спасительную для российских дорог разработку вложили деньги как администрация Тюменской области, так и бизнес. Первые же эксперименты, проводившиеся в Ямало-Ненцком автономном округе, Забайкалье и Тюменской области, показали хорошие результаты. Технология уже используется в строительстве дорог в районе города Новый Уренгой и поселка Голышманово. В будущем планируется строительство дороги федерального значения Пуровск – Коротчаево, 130-километровой трассы, проходящей по болотистой местности.