ДРЕВНИЙ МАТЕРИАЛ С БОЛЬШИМИ ПЕРСПЕКТИВАМИ
Доктор технических наук С. Попченко, кандидат технических наук В. Глебов
О ЧЕМ РЕЧЬ?
С битумами и асфальтами, то есть смесями битумов с минеральными материалами, человек знаком многие сотни лет. Название «битум» происходит от латинского слова «битумен» - смола; «асфалос» по-гречески означает вечный, надежный. Древние люди находили битумы в жилах горных пород. Иногда битум стекал во впадины и заполнял их, возникали естественные битумные озера.
Первоначально к битумам относили только природные образования, в том числе нефть. Затем битумами стали называть также искусственные битумоподобные продукты.
В последние десятилетия природный твердый битум становится редкостью и получение искусственных битумов во много раз превысило добычу природных.
В этой статье мы пишем о битумах в более узком смысле. О битумах, которые можно отнести (правда, весьма условно) к твердым. О тех битумах, которые входят в состав асфальтовых покрытий дорог и тротуаров и которыми в расплавленном виде обмазывают фундаменты и крыши домов.
БИТУМ И МЕДИЦИНА
В Древнем Вавилоне жрецы и врачи считали битумы целебным средством. Да, и сейчас еще есть «энтузиасты», продолжающие верить в чудодейственные свойства битумов. А, с другой стороны, некоторые медики относят битумы к веществам, вызывающим развитие злокачественных опухолей.
Вера человечества в целительные свойства битумов, по-видимому, в немалой степени связана с трудами египетских ученых, применявших природные битумы для бальзамирования трупов, а также с тем вниманием, которое уделялось битумам в сочинениях Гиппократа, Аристотеля, Ксенофонта, Страбона, Марка Витрувия и Плиния Старшего. А вот откуда появился страх перед битумами, понять трудно. Битумы относятся к одним из наиболее инертных химических веществ в природе, они не влияют на человеческий организм и сами по себе не взаимодействуют ни с кислотами, ни с щелочами. Другое дело, если в битум попало, каким-то образом вещество, способное вызывать различные, а порой и нежелательные для людей эффекты.
Битумы действительно обладают прекрасными консервирующими свойствами, но не потому, что они являются антисептиками или фунгицидами, как, например, пчелиный мед.
Консервирующие свойства битумов обусловлены их высокой водо и воздухонепроницаемостью. Например, в асфальтовом озере в Калифорнии обнаружен был ствол кипариса, который находился в озере 25 тысяч лет и хорошо сохранился. В этом же озере было найдено много останков доисторических животных, завязших и утонувших в асфальте много тысяч лет назад.
КЛЕЙ ДОЛГОВЕЧНЫЙ И НАДЕЖНЫЙ
Битумы обладают хорошими адгезионными свойствами, то есть способностью сцепляться, схватываться с материалом, на поверхность которого они наносятся. Недаром уже в древние времена битумы использовались, как клей. В одном из храмов Вавилона имеется каменное изваяние его легендарного царя Навуходоносора; глаза изваяния сделаны из бирюзы, а приклеены к глазницам битумом. Интересно отметить, что за 3 тысячи лет существования каменного Навуходоносора бирюза почти полностью разрушилась, а битум сохранился. Настоящий «асфалос»! Известна еще более древняя скульптура с глазами, приклеенными природным битумом, - бюст царя Древнего Двуречья Маништусу, жившего в 2300 году до нашей эры.
В 1972 году были исследованы образцы древесных битумов с одной из башен старого Таллина. Оказалось, что за 5 веков состав битума практически не изменился. И это еще одно доказательство его долговечности.
И BCE-ТАКИ БИТУМЫ - МАТЕРИАЛ СТРОИТЕЛЬНЫЙ
Люди давно заметили высокую водоустойчивость битумов и стали их применять для запечатывания амфор с вином и оливковым маслом, для заклеивания трещин в глиняной посуде и смоления деревянных лодок.
Не проходили мимо битумных материалов и древние строители. Так, в Вавилоне природный асфальт из Месопотамии применяли для покрытия дорог и крепления берегов Тигра и Евфрата. Прошло более 3 тысяч лет, а мы по-прежнему можем восхищаться искусством вавилонских мастеровых - крепления сохранились до сих пор!
Большой интерес представляет и тоннель (построен примерно 3 тысячи лет назад) под Евфратом, сложенный из камней на асфальтовом растворе. На поверхности этого тоннеля длиною в 1 километр не видно влажных пятен, в нем сухо, как в обычном жилом помещении. Далеко не каждый современный тоннель может похвастаться тем же ведь если через бетонную облицовку просачивается в минуту не более литра воды (на длине 1 километр), то это считается вполне нормальным не только для подводных, но и для подземных тоннелей.
Асфальт был использован при устройстве висячих садов Семирамиды. Как известно, эти сады - одно из семи чудес древнего мира - покоились на системе колонн и сводов. Поверхность сводов покрывалась асфальтом, а поверх него разбивались сады, сооружались пруды и фонтаны. Давно умерла царица, время разрушило ее дворец, а некоторые пруды все еще существуют.
Технический опыт садов Семирамиды был заимствован в 1867 году при устройстве зимнего сада в Зимнем дворце. Кстати, это первая известная гидроизоляционная асфальтовая конструкция в России. Покрытие существует и ныне оно выдержало испытание временем.
Самое древнее асфальтовое сооружение было обнаружено в Индии. Около города Мохенджо-Даро существует облицованный асфальтом бассейн, возраст которого превышает 5 тысяч лет. Облицовка находится в прекрасном состоянии вода из бассейна не просачивается.
Битумами покрывали хранилища для зерна, скрепляли плиты стен и полов в храмах.
В средние века опыт древних строителей был забыт. Только алхимики пробовали использовать битумы в своих неустанных поисках философского камня, да лекари продолжали применять его для врачевания. А тем временем был открыт ряд новых месторождений природного асфальта на острове Тринидад, в Юрских горах (Швейцария), на берегах Волги и др. Около 250 лет тому назад в Париже была опубликована первая диссертация о битумах, принадлежащая перу греческого ученого Эйрипис д’Эйринис.
В начале XVIII века при разработках асфальтовых месторождений в Невшательском кантоне (Швейцария) было замечено, что, когда падающий с телег асфальт перемешивается с дорожной пылью и укатывается колесами, то образуется прочное и устойчи35
вое покрытие. Так вновь была изобретена асфальтовая одежда дорог. Вновь, потому, что еще в Древнем Вавилоне при царе Набопаласаре (600 лет до н. э.) строились асфальтированные дороги. Да, что в Вавилоне! В 1532 году европейцы не без удивления обнаружили в Новом Свете, на территории современного Перу, асфальтированные Дороги. Еще в древние времена их строили индейцы.
В 1797 - 1802 годах началась систематическая разработка природного асфальта в Сэйссале, во Франции, причем «мастика асфальтового камня» в эти годы нашла применение при покрытии попов, мостов и для гидроизоляции сооружений. 15 июня 1835 года в Париже был асфальтирован первый тротуар. С этого времени началась новая история асфальта.
ПЕРЕВОРОТ В БИТУМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В России первое месторождение битуминозных известняков было открыто около Сызрани Иваном Посошковым в 1724 году. В 1772 году появляется описание месторождений асфальтовой горной породы в бывшей Симбирской губернии. В 1871 году в Сызрани начал работать асфальтовый завод. На основе сызранского асфальта в 1876 году в Москве были устроены покрытия в Кремлевских казармах и сделана мостовая около Гостиного двора.
Большое значение для распространения асфальта сыграли работы русских ученых - В. М. Флоринского, А. А. Летнего, В. В. Марковникова, П. В. Сахарова и др. К 1900 году ими уже было опубликовано 35 научных трудов. А. А. Летний тщательно обследовал сызранские месторождения асфальтов и доказал перспективность их развития, а позднее В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман в корне изменили существовавшие тогда представления о сырьевой базе русской асфальтовой промышленности.
В 1878 году впервые в мире А. А. Летним, В. И. Рагозиным и др. была доказана перспективность получения «остаточных нефтяных битумов» из нефтяного гудрона. В этом вопросе русские инженеры были пионерами за границей производство битумов с помощью окисления остатков от перегонки нефти было предложено позднее (в 1881 году де Смадтом и усовершенствовано в 1894 году Ф. Бейерлеем, получившим окисленные битумы - «бейерлиты»). В 1901 году в Баку начал работать завод, выпускающий высококачественные остаточные битумы.
В наше время, как уже говорилось, в основном используются именно искусственные битумы, получаемые из нефти.
ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН БИТУМ СЕГОДНЯ?
Производство битумов растет. Если в 1931 году в Советском Союзе их добывалось немногим более 70 тысяч тонн, в 1935 году - 221 тысяча тонн, то сейчас их выпуск составляет миллионы тонн в год. И все же потребность в битумах намного опережает рост их производства.
Наиболее крупный потребитель битумов - строительство. Около 80 - 90 процентов мирового выпуска битумов используется при строительстве дорог, для гидроизоляции и антикоррозионной защиты инженерных сооружений и их кровель, для облицовки каналов, плотин и дамб, для крепления берегов рек и морей, при устройстве бассейнов, резервуаров, водохранилищ, и т. п.
По прогнозам ученых, недалеко то время, когда автомобильные дороги будут занимать до 10 процентов территории страны. Если принять, что лишь половина дорог будет асфальтирована, то потребность в битумах только для дорожного строительства в нашей стране выразится громадной цифрой 10 миллиардов тонн.
Не надо забывать также, что битум - доступное и дешевое сырье для химической промышленности (при производстве пластических масс, лаков и красок), где доля его потребления будет неизменно возрастать.
А совсем недавно в печати сообщалось о том, что два американских инженера выдвинули идею асфальтировать. поля. Они предлагают устраивать асфальтовый - водонепроницаемый - слой на глубине около полуметра под землей для того, чтобы почва лучше удерживала воду. В засушливых районах это должно способствовать существенному повышению урожайности полей.
БИТУМ ПОМОГАЕТ ГИДРОТЕХНИКАМ
В гидротехническом строительстве уже в исторически близкое к нам время асфальт был применен при сооружении мола Хук-ван-Холланд в Голландии в 1864 году.
Асфальтобетонные облицовки, по-видимому, впервые в мире начали делаться в 1928 году при строительстве оросительных каналов в Голодной степи под руководством профессора П. Д. Глебова. В последующие годы этот опыт получил распространение, как у нас, так и за рубежом.
Асфальтовые крепления берегов особенно интенсивно начали строить после катастрофического шторма на Северном море 1 февраля 1953 года, разрушившего много дамб и береговых креплений. Действию штормовых волн смогли успешно противостоять лишь сооружения с асфальтовым покрытием.
Достаточно отметить, что к настоящему времени в эксплуатации находится во всем мире свыше 150 крупных плотин с асфальтовыми экранами. По данным американских инженеров, например, замена железобетонного экрана плотины Монтгомери на асфальтовый позволила вдвое снизить стоимость экрана и на год сократить срок строительства.
При строительстве Братской ГЭС битумами было окрашено 770 тысяч квадратных метров поверхности различных бетонных и металлических конструкций и оклеена битумными материалами площадь свыше 720 тысяч квадратных метров (внешние грани сооружений). На строительстве Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС только для гидроизоляции сооружений ежедневно расходовали свыше 30 тонн битумов.
Директивы XXIV съезда КПСС предусматривают грандиозный размах в девятой пятилетке гидроэнергетического и гидромелиоративного строительства. В частности, большой объем работ по облицовке асфальтом уже выполнен на Каракумском канале имени В. И. Ленина. Большие работы по облицовке каналов развернулись на мелиоративных системах Заволжья и Северного Кавказа. Ведутся предварительные проектные проработки схем переброски вод Оби, и Иртыша в Среднюю Азию; предполагается, что суммарная протяженность каналов составит несколько тысяч километров.
Выполнение постановлений, принятых Центральным Комитетом партии, Советом Министров СССР, о мерах по предотвращению загрязнений Каспийского моря, бассейнов Волги и Урала, озера Байкал, об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов потребует, в частности, сооружения большого числа отстойников, очистных бассейнов и отвалов для шлама. И всем этим сооружениям нужны противофильтрационные экраны. Например, отвалы для шламов на Ворошилов-градской ГРЭС, на Волжском трубном заводе, КамАЗе, и ряде других промышленных объектов должны иметь облицовку и экраны площадью от 0,2 до 1 квадратного километра на каждом объекте.
Во всех этих случаях особенно эффективно применение асфальтобетонных облицовок и экранов, так, как замена ими бетонных конструкций позволяет в 1,5 - 2 раза сократить затраты труда и средств, сэкономить 40 - 50 килограммов цемента на квадратный метр покрытия, а это значит - экономия десятков тысяч тонн цемента на каждой из крупных строек!
Опыт ведения таких работ у наших строителей уже есть. Достаточно сказать, что в течение последних лет асфальтобетонные облицовки нашли применение на десятках отечественных сооружений, расположенных в различных климатических поясах страны. Например, была сделана асфальтобетонная облицовка каналов Криворожской оросительной системы и проведено укрепление берегов реки Дунай (с помощью асфальтобетонных тюфяков).
ЧТО МЫ ЗНАЕМ О БИТУМАХ?
Битумы у нас под ногами. Битумы под колесами автомобилей. Битумы на крышах домов. Битумы удерживают в каналах воду, которая орошает наши пашни. Битумы на дамбах и плотинах гидроэлектростанций.
Во многих институтах, как в Советском Союзе, так и за рубежом изучают свойства битумов. Тысячи людей изготовляют битумные образцы, давят их, кипятят, замораживают, рассматривают в микроскоп.
Но знаем мы о битумах, к сожалению, далеко не все.
Мы знаем примерный состав битумов (в процентах) 85 - 86 углерода, 6 - 10 водорода, 4 - 8 кислорода, 0,5 - 2 серы. Предложены гипотетические формулы наиболее простых молекул битума.
Мы знаем, что битумы - термопластичные вещества в зависимости от температуры они могут переходить из твердого состояния в вязкое, из вязкого в жидкое и наоборот. Битум можно рубить топором, в битуме вязнут каблучки дамских туфель.
Согласно современным представлениям физико-химической механики, развитым академиком П. А. Ребиндером, такие материалы относятся к твердообразным дисперсным системам. А эти вещества не подчиняются ни закону течения вязких жидкостей (известному, как закон вязкого течения или закон Ньютона), ни закону пропорциональности деформаций действующему усилию (закон Гука), которому подчиняется большинство твердых тел.
Мы знаем также, что битумы и асфальты в отличие от многих других строительных материалов нельзя полностью характеризовать такими общераспространенными показателями, как прочность при сжатии, модуль упругости, коэффициент Пуассона и т. д.
ЧТО МЫ ЗНАЕМ НЕ?
У Андрея Вознесенского есть такие строки:
«А когда вы шли с поклоном,
Смертно-бледная мадонна
К фиолетовой стене
Отвернулась не!»
Если следовать манере поэта, то можно сказать о битумах мы многое знаем не!
Мы не знаем точных химических формул всех составляющих битума; не знаем строения их молекул и даже их молекулярные веса.
Мы не знаем, как рассчитывать битумные конструкции. При инженерных расчетах до сих пор пользуются эмпирическими зависимостями между напряжениями и деформациями, не имеющими определенного физического смысла.
Мы еще не знаем, с помощью, каких показателей можно исчерпывающе характеризовать свойства битумов.
ЧТО ЕЩЕ МОЖЕТ ДАТЬ ЗНАНИЕ СВОЙСТВ БИТУМОВ?
Изучение веществ необходимо для сознательного управления структурой и свойствами, их совершенствования в нужном направлении.
Кажется, что может быть проще, чем асфальтовое покрытие дорог? И тем не менее сколько загадок! Так, почти 70 лет назад профессор П. В. Сахаров открыл удивительное явление чем меньше в составе асфальтобетона вяжущего, тем более прочным получается покрытие. У всех других известных видов бетона наблюдается, как раз обратное чем больше (конечно, до известного предела) вяжущего (цемента, извести, гипса), тем больше прочность бетона. Объяснить влияние вяжущего на свойства асфальтобетона удалось несколько позднее, когда в общих чертах была определена физическая природа битума. С тех пор именно по этой причине асфальты содержат всего 5 - 6 процентов битумов. Профессором П. В. Сахаровым была установлена высокая прочность асфальтов при ударных и вибрационных нагрузках, обусловленная вязкостью битумов. Это позволило ему в первую мировую войну построить ряд оборонительных сооружений (у Перемышля), хорошо себя зарекомендовавших.
А трещины на асфальтовых тротуарах и дорогах? Пробовал кто-нибудь посчитать, сколько вреда приносят они автомобилям? Между тем трещины эти не неизбежное зло. Незначительные прибавки полимера помогут избавиться от них. Какого из полимеров? Изучение химического состава битумов должно дать ответ и на этот вопрос.
Над улучшением качества дорожных покрытий работают многие исследователи. Недавно, например, в Башкирском научно-исследовательском институте нефтяной промышленности разработана новая технология производства дорожных битумов. В частности, введение в соответствующим образом окисленный остаток прямой перегонки нефти поверхностно-активной присадки, которая увеличивает сцепляемость с минеральными материалами, входящими в состав дорожного покрытия, удалось значительно увеличить его прочность и долговечность.
Обязательно ли надо разогревать асфальт для укладки в дорожное покрытие и превращать в пекло рабочее место строителей-дорожников? Оказывается, нет. Смесь можно делать холодной с помощью добавок битумных эмульсий. В этом случае удается получить отличное покрытие. Уже есть опыт такого асфальтирования, например, в Ленинграде, Риге, в ряде городов Казахстана.
А волны на асфальтированных дорогах? Иногда их можно видеть на участках, где транспорт резко тормозит, например, у остановок. Что служит причиной их возникновения? Полной ясности пока нет. Может быть, дополнительные нагрузки от торможения? А почему же тогда, например, семикилометровый участок шоссе около Кемери (Латвия) волнится на всем своем протяжении? Состав асфальта? Пробовали укладывать разный. Особенности грунта? Возможно. Но местные шоферы объясняют волнистость шоссе его ориентацией и своеобразными условиями освещения.
Наконец, какова оптимальная толщина асфальтового покрытия? Вопросы, вопросы. А ответов пока нет. И их настойчиво ищут ученые, исследователи.
Битум - один из древнейших полимеров, известных человеку. Но, к сожалению, человек еще до сих пор недостаточно знает этот удивительный материал, а потому и не использует всех его превосходных свойств. Более того, битумы подчас расходуются весьма нерационально. Да, килограмм битума стоит копейки, но эта его дешевизна (по сравнению с синтетическими полимерами) не основание для того, чтобы сжигать этот ценный продукт, как это еще нередко делается. Наоборот, рациональное использование высокой химической стойкости, долговечности, водоустойчивости и пластичности битумов, их способности к значительному улучшению свойств в результате добавок полимеров таит в себе еще большие возможности для расширения областей применения этих веществ.
Любой творческий поиск - это романтика науки. Есть романтика и в поисках, связанных с изучением малопривлекательного на первый взгляд и давным-давно известного битума, одного из самых древних строительных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
Волков М. И., Борщ И М., Королев И. В. Дорожно-строительные материалы. М., 1965.
Гезенцвей Л. Б. Асфальтовый бетон. М.. 1964.
Кострин К. В. Почему нефть называется нефтью. М.. 1967.
Крейцер Г. Д. Асфальты, битумы и пеки.М. 1952.
Михайлов В. В., Колбановская А. С. Нефтяные дорожные битумы. М. 1973.
Попченко С. Н.. Касаткин Ю. И., Борисов Г. В. Асфальтобетонные облицовки гидротехнических сооружений. Л., 1970.
Попченко С. Н.. Старицкий М Г - Асфальтовая гидроизоляция бетонных и железобетонных сооружений. Л.. 1962.
Цитшер Ф. Ф. Применение асфальтовых покрытий для крепления берегов. М. 1964.
ФАКТЫ
- Древнегреческий историк Геродот в своем труде «История» в 450 - 460 годах до н. э. впервые описал персидские и месопотамские месторождения природных битумов и асфальтов. В славянской литературе описание асфальта впервые появилось в патриаршей летописи XVI века.
- В Европе впервые природный асфальт был найден доктором Эйринис д'Эйринис в Юрских горах (в Швейцарии) в начале XVIII века.
- Первые асфальтированные улицы в Нью-Йорке, Бостоне и Филадельфии появились в 1872 - 1875 годах.
- Первое исследовательское учреждение «Институт асфальта» было основано в 1919 году в США, а первая национальная научная конференция по битумам и асфальтам проведена в 1922 году.
- Первые асфальтовые покрытия тротуаров в России были выполнены в Петербурге в 1866 году и в Кронштадте в 1869 году из ганноверского асфальта, хотя к тому времени было открыто уже несколько месторождений природного асфальта в самой России.
- Нисефор Ньепс в 1827 году открыл светочувствительность тонкого асфальтового слоя, остававшегося (на металлической пластине) после высыхания асфальта в эфирном масле. Когда на такую асфальтовую плёнку клали рисунок и освещали его, то на пленке получался светлый отпечаток на коричневом фоне, известный под названием гелиогравюра. По сути дела, гелиогравюра - это одна из первых известных фотографий.
- «В новейшее время известный Ганс Макарт испортил много своих картин неумеренным употреблением битума» (Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона).
- Битумными красками пользовался знаменитый художник В. Ван-Гог.
Читайте в любое время
