Исследователи протестировали новое связующее, которое должно сделать дороги более устойчивыми к морозу, и получили удивительные результаты.
Ежегодно одно и то же: с зимой на дорогах появляются выбоины – и подвергают опасности участников дорожного движения. Причина в связующем, которое скрепляет асфальт. При температуре ниже нуля он теряет эластичность.
Подробности читайте после рекламы
Исследователи из Университета штата Аризона разработали связующее вещество из масла водорослей, которое призвано сделать асфальт более долговечным в зимнее время. И, как показала лаборатория, это не единственное преимущество: это также может помочь снизить выбросы CO2 при дорожном строительстве.
Идея проста, реализация сложна.
Что скрепляет асфальт и почему холод становится проблемой
Асфальт состоит из песка, камней и связующего вещества: битума. Это густое вязкое вещество, полученное из сырой нефти, связывает твердые частицы и позволяет дорожному покрытию расширяться и сжиматься при изменении температуры.
Но если температура быстро опускается ниже нуля, связующее становится хрупким. Он теряет гибкость и могут появиться трещины. И через эти трещины потом может проникнуть вода, которая затем в случае мороза замерзает и разрывает асфальт. Выбоины — результат.
Такое повреждение не только дорого ремонтировать, но и опасно для водителей и пешеходов. Именно здесь на помощь приходит вяжущее из водорослей: оно призвано сохранять эластичность асфальта даже при минусовых температурах.
Подробности читайте после рекламы
Понятие «водорослевые вяжущие» как замена или добавка к битуму
Именно здесь команда Элхама Фини начала разработку резиноподобного связующего, изготовленного из масла водорослей, которое должно сохранять асфальт гибким и долговечным даже при минусовых температурах. В предыдущих исследованиях ученым удалось показать, что масло водорослей может производить битумоподобные продукты.
Однако на практике полной замены не планируется. По словам Фини, только часть нефтяного битума заменяется продуктом из водорослей — не в последнюю очередь потому, что он значительно дороже.
Тем не менее, всего одной добавки может быть достаточно, чтобы сделать дороги более устойчивыми и одновременно снизить выбросы углекислого газа.
Какие водоросли подходят? Сравнение нескольких масел водорослей
Чтобы выяснить, какое масло из водорослей лучше, исследователи оценили масла из четырех различных типов водорослей, используя компьютерные модели. В ходе испытаний было проверено, насколько хорошо масла смешиваются с песком и камнями, как они реагируют при минусовых температурах и насколько стабильны при транспортных нагрузках.
Нефть уходит Гематококк плювиалис – также называемые водорослями кровавого дождя – оказались наиболее подходящими. Эта одноклеточная пресноводная водоросль вырастает до максимального размера 0,05 миллиметра.
Их масло продемонстрировало наибольшую устойчивость к остаточной деформации при моделируемых транспортных нагрузках, а также показало повышенную устойчивость к повреждениям, связанным с влагой.
Измеримое повышение производительности при работе с асфальтом: лаборатория и моделирование
В ходе лабораторных испытаний, имитирующих транспортные нагрузки и морозные циклы, образцы асфальта показали Гематококк плювиалис-Вяжущее: по сравнению с обычным асфальтом новая смесь на 70 процентов лучше возвращалась к своей первоначальной форме после снятия нагрузки.
Это означает: после деформации – например, шинами тяжелого грузовика – асфальт лучше восстанавливается. Исследователи говорят об улучшении самовосстановления или регенеративной способности.
Кроме того, связующее из водорослей значительно уменьшило образование трещин в асфальте при температурах ниже нуля. Также была повышена устойчивость к повреждениям, связанным с влагой – важным фактором долговечности дорог.
Потенциал климатического баланса: насколько упадут чистые выбросы?
Помимо технических характеристик, команда также исследовала влияние на климат. Оценка их модели: на каждый процент биосвязующего вещества из водорослей в смеси чистые выбросы CO2 от асфальта уменьшаются примерно на 4,5 процента.
При содержании связующего из водорослей около 22 процентов асфальт потенциально может стать CO2-нейтральным. При более высоких пропорциях возможны даже отрицательные чистые выбросы — тогда асфальт будет связывать больше углекислого газа, чем выделяется при его производстве.
Причина: микроводоросли преобразуют CO2 в биомассу посредством фотосинтеза. Эта биологическая секвестрация делает связующее из водорослей многообещающим инструментом для экологически безопасного дорожного строительства.
Как прогнозируется пригодность: молекулярный уровень и «поляризуемость»
Методологическим вкладом исследования является введение поляризуемости в качестве параметра оценки биосвязывающих веществ. Поляризуемость описывает, насколько легко может быть деформировано электронное облако молекулы — мера ее реакционной способности.
Этот параметр служит показателем совместимости молекул бионефти с компонентами асфальта. Это позволяет прогнозировать пригодность связующих на молекулярном уровне.
Целью является разработка на химической основе низкоуглеродных, высокоэффективных и устойчивых связующих для инфраструктуры будущего.
Реализация: Долговечность, техническое обслуживание, структура затрат – что сказано, а что остается открытым
Ученые ожидают, что асфальт из водорослей может продлить срок службы дорог и снизить затраты на техническое обслуживание. Причина – улучшенная влагостойкость, большая гибкость в холодных условиях и способность к самовосстановлению.
Но когда дело доходит до затрат, многое остается неясным. С одной стороны, продукт из водорослей описывается как значительно более дорогой, но с другой стороны, исследователи говорят о «рентабельной» перспективе устойчивой инфраструктуры, не называя конкретных цифр.
Полевые испытания в реальной эксплуатации также пока отсутствуют. Результаты получены на основе компьютерных моделей и лабораторных испытаний. Еще неизвестно, как агент, связывающий водоросли, будет вести себя в реальных условиях дорожного движения с течением времени.
