XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
БЕЗОПАСНАЯ ДОРОГА, ИЛИ ВОЛШЕБСТВО АСФАЛЬТА
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Растаял снег, под ним асфальта нет.
Довольно интересен сей момент.
Ведь помнится, что летом он лежал.
Куда же он весною убежал?
Наверное, в воде он растворился?
Иль волшебство – и он вдруг испарился?
ВВЕДЕНИЕ
Весна. На дорогах тает снег, и появляются, как по волшебству, глубокие ямы. Иногда кажется, что асфальт тает вместе со снегом. Ямы на дорогах очень опасны: из-за них может сломаться машина, и даже случиться ДТП (рис. 1).
Рис. 1. Ямы на дорогах: а) ямы весной; б) колесо машины попало в яму
Каждый год весной по телевидению сообщают, что начался ямочный ремонти отремонтируют 253 объекта и потратят на ремонт 25 млн. рублей [1]. Ежегодно сумма затрат возрастает.
У многих людей возникает вопрос: а почему именно весной появляются ямы? И как это предотвратить?
А можно ли избежать поломки машины при встрече с ямой? Профессиональные водители рассказывают, что нужно делать в случае, когда яму не объехать. Они используют специальный прием: сначала притормозить, а перед самой ямой наоборот –нажать на газ. Колесо ни в коем случае не должно упасть в яму – оно должно туда закатиться [2].
Знайте, если вы водитель и проехали по луже, а она скрывала яму, и вы повредили машину, нужно сразу же вызвать сотрудников ГИБДД и оформить ДТП несмотря на то, что второй участник аварии – это яма. Если яма больше 15 см в длину, 60 см в ширину и 5 см в глубину (хотя бы по одному из параметров), и она не была обозначена дорожными знаками, можно получить деньги на ремонт. Не нужно думать, как многие люди – ну что я возьму с лужи или ямы?
Все люди могут участвовать в отслеживании плохих дорог. Если сфотографировать яму на дороге и отправить в одно из мобильных приложений Spot, GoodRoads, «РосЯма», «Убитые дороги» или на сайт, можно обратить внимание ответственных служб, которые принимают решение о необходимости ремонта дороги.
Оказывается, эта заинтересовавшая нас тема не только является актуальной для моего родного города, но и для всей страны.
Была поставлена ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ – узнать причину появления ям на асфальтобетонных дорогах весной и найти решение этой проблемы.
Далее были обозначены следующие ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:
Проверить работают ли сайты плохих дорог в России.
Узнать, как появляются ямы на дорогах, почему именно весной и почему даже на отремонтированной дороге.
Найти решение проблемы возникновения ям на дорогах.
Был выдвинут ряд ГИПОТЕЗ:
Вероятно, интернет-сайты и их мобильные приложения только для развлечения, и они не помогут решить проблему.
Возможно, ямы появляются из-за дождя и снега (вода разрушает асфальт).
Наверное, существуют химические вещества, которые делают дороги прочными и не дают образовываться ямам.
В исследовании были использованы следующие МЕТОДЫ:
поиск информации в интернете, энциклопедиях, учебниках;
наблюдение;
использование специальных интернет-сайтов и компьютерных программ;
беседа с экспертом в области дорожного строительства;
проведение опытов и экспериментов;
изготовление моделей.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Поиск информации в интернете помог узнать причину возникновения глубоких ям на дорогах с наступлением весны. Один из главных врагов дороги – это вода. У воды есть такое свойство: она при замерзании увеличивается в объеме (рис. 2).
Рис. 2. Расположение молекул воды: а) – во льду; б) – в воде; в) – в водяном паре
Когда в асфальте есть трещины, вода проникает вглубь дороги, заполняя все пустоты. С приходом морозов (температура опускается меньше 0°С), вода замерзает и расширяется, создавая новые трещины. При потеплении вода тает и снова сжимается. Осенью и зимой дорожное покрытие не имеет возможности хорошо просохнуть и заново замерзает. И так за сезон происходит не один раз. В результате дорога разрушается, и появляются все новые и новые ямы. Схема разрушения дороги показана на рисунке 3.
Изучив информацию, можно сделать вывод, что в асфальте изначально не должно быть трещин, покрытие должно быть прочным. Однако остаётся вопрос, как это сделать?
Рис. 3. Образование ямы на дороге
Очень часто мы наблюдаем, что вместо капитального ремонта проводят ямочный. Яму заделывают, ведь ремонт всей дороги очень дорого стоит из-за сложной конструкции дорожного полотна. Так называемый «дорожный пирог» состоит из следующих слоёв (рис. 4) [6]:
Рис. 4. Состав дорожного полотна
Однако дорога «здоровее» от ямочного ремонта не становится. Необходимо «лечить» всю дорогу, т.е. делать качественный хороший ремонт всей дороги сразу. А если только заделывать ямы, то какое-то время дорога, конечно, послужит, но на этом месте спустя некоторое время все равно возникнет трещина, и снова нужен ремонт. Есть даже пословица: «Скупой платит дважды».
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Решение проблемы с помощью интернет-сайта РосЯма
Для решения первой задачи воспользовались сайтом РосЯма https://rosyama.ru/, который был создан именно для того, чтобы помочь дорожным службам узнавать, где требуется срочный ремонт.
Изучение карт ям показало, что в Белгороде их меньше, чем в других крупных городах России (рис.5). Но здесь далеко не все ямы, а только те, которые зафиксировали жители городов и выложили на сайт.
Для участия в эксперименте были выбраны три самые большие и опасные ямы на моем ежедневном пути по дороге в Кванториум (яма №1), в «Школу искусств» БГИИК (яма №2) и в лицей (яма №3).
Рис. 5. Карта ям с сайта РосЯма
Для того чтобы узнать: может ли помочь в решении проблем с ямами сайт РосЯма, была отправлена информация о первой яме (около Кванториума по улице Есенина) через сайт РосЯма 27 апреля (рис.6).
Рис. 6. Отправление информации на сайт РосЯма
Результат был получен 8 мая: ямы №1 больше не было! Её отремонтировали (рис. 7).
2)
Рис. 7. Яма №1 около Кванториума: 1) до работы с сайтом; 2) после
Отремонтировали именно ту яму, информация о которой была нами загружена на сайт. Рядом (не больше 50 м), на другой стороне проезжей части, другая яма осталась (рис. 8). Её отремонтировали только через 2 месяца.
Рис. 8. Ямы около Кванториума: 1) ямы до работы с сайтом;
2) оставшаяся яма на противоположной стороне дороги
За ямами №2 и №3 мы просто наблюдали дальше. Яму №2 (около БГИИК) отремонтировали и без нашего участия, но только к концу лета. А яму № 3 (по дороге в школу) только в октябре (рис. 9).
Вывод: первая гипотеза опровергнута – сайт РосЯмы работает.
Рис. 9. Ямы, о которых не сообщали на сайт: 1) яма №2 после зимы; 2) яма №2 отремонтирована (август); 3) яма №3 (сентябрь)
Эксперименты с водой
Для того чтобы узнать, как вода разрушает асфальт, был провел первый эксперимент с асфальтом и дорожным бетоном. Опустив образцы в воду, мы наблюдали выход пузырьков (рис.10). В результате эксперимента был сделал вывод: 1) ни асфальт, ни бетон не растворяются в воде; 2) внутри образцов есть трещины (пустоты), незаметные глазу, заполненные воздухом. При погружении образца в воду, вода вытесняла воздух из пустот.
Рис. 10. Действие воды на асфальт и дорожный бетон
Образцы были оставлены на 1 сутки в воде, чтобы вода успела вытеснить весь воздух. Потом на следующие сутки мокрые и сухие образцы поместили в морозильную камеру при –18ºС. Изначально было предположение, что вода разрушит образцы, ведь замерзая, она расширяется. Но трещин не было. На кусках была только корочка льда. Не удачный эксперимент? Вероятно, вода не разрушила асфальт, потому что для нее было много места куда расширяться. Тогда было решено заморозить воду в бутылке. Две бутылки были наполнены водой. Одну из них плотно закрыли крышкой (рис. 11) и поставили на сутки в морозильную камеру. Результат: вода показала свою силу. Стекло треснуло. В закрытой бутылке вода даже выдавила крышку.
Рис. 11. Эксперимент с водой: 1) вода; 2) лед
Вывод: вторая гипотеза подтверждена косвенно – вода, замерзая в трещинах асфальта, увеличивает трещины, поэтому на дорогах есть большие ямы в асфальте.
Однако оставалась проблема: можно ли как-то уберечь асфальт от разрушения при замерзании в нем воды?
Результаты эксперимента показали, что лед «нашел» себе место для расширения – выдавил крышку и «вылез» из бутылки. Значит, чтобы сосуд не разорвало расширяющимся льдом, нужно предусмотреть для льда какую-то полость, объем, который он мог бы занять при расширении.
Мы повторили эксперимент: в стеклянную бутылку с водой поместили слегка надутый воздушный шарик (рис.12). Результат: шарик неожиданно вылез из разрушенной бутылки. Вывод: шарик был надут мало, и воде не хватило места для расширения.
При повторном эксперименте шарик надули больше и положили внутрь металлические детали для утяжеления. В результате эксперимента бутылка осталась целой, а шарик вода сжала (рис.12).
Хорошо бутылку мы «спасли», а как быть с дорогой? Ведь в асфальт не получится шарики поместить.
Рис.12. Эксперименты с водой и с воздушным шариком
Беседа с экспертом. Решение проблемы с помощью химических веществ
Мы обратилися за помощью к эксперту – профессору Яковлеву Евгению Александровичу, заведующему кафедрой «Автомобильные и железные дороги» БГТУ им. В.Г. Шухова. Он сказал, что для решения проблемы ям применяют химические вещества – ПАВ. «Знаю!», – обрадовался я. Это поверхностно-активные вещества, которые помогают маме стирать, а мне делать мыльные пузыри. В одной из своих предыдущих работ я изучал ПАВ. Это молекулы похожие на чупа-чупс с головкой, которая любит воду и хвостиком, который не любит воду, а любит масло. Я сделал модель взаимодействия ПАВ с водой и маслом и назвал их Солнышко и Штурвал (рис. 13). Сейчас я знаю, что головка ПАВ полярная (как полюса у нашей планеты), а хвостик неполярный.
1) 2)
Рис. 13. Модели взаимодействия ПАВ: 1) с водой 2) с маслом
ПАВ с отрицательной головкой помогают мамам стирать, а детям делать мыльные пузыри.
Так значит, мыльные пузыри могут спасти дорогу, как шарики бутылку? «Не совсем так», - уточнил Евгений Александрович. В асфальтобетонную смесь действительно нужно добавлять ПАВ, только другого типа и принцип действия тоже другой. Для смешения битум нужно нагреть до перехода в жидкое состояние (рис. 14)
Рис. 14. Приготовление асфальта: 1) битум и щебень; 2) нагретый битум
Но из-за разных свойств полярного щебня и неполярного битума они плохо смешиваются – как масло с водой. Смешав масло и воду в качестве эксперимента, стало понятно, что смесь не смешивается и быстро расслаивается. Но если добавить ПАВ (жидкое мыло), то легко можно смешать воду и масло.
Значит полярные головки, которые любят воду, притягиваются к щебню, а хвостики, которые не любят воду, притягивают битум. То есть в асфальте ПАВ как бы склеивают щебень и битум. Модель их взаимодействия представлена на рис. 15).
Рис. 15. Полярные головки притягивают щебень, а хвостики притягивают битум
При этом лишние молекулы ПАВ захватывают капельки воды, образуя мицеллы [3-5] (рис. 16).
1) 2)
Рис. 16. Мицелла: 1) снаружи; 2) внутри
А что будет с поверхностно-активными веществами, если они замерзнут?
Эксперименты с мыльными пузырями зимой
В интернете много рецептов, как сделать хорошие мыльные пузыри самостоятельно, но практически все они с глицерином. Глицерина в наличие не было, поэтому были проведены эксперименты с солью, сахаром, мукой. Пузыри с сахаром получались прочные и эластичные (рис. 17).
1) 2)
Рис. 17. Самодельные мыльные пузыри:
1) растяжение пузыря; 2) сжатие мыльных пузырей
Раствор для мыльных пузырей при – 12°С (эксперимент проводили зимой на балконе) стал вязким и тягучим. Пузыри очень быстро падали, а не летели вверх. По виду замерзшие пузыри не прозрачные как лед, а мутно-белые. Изначально было предположение, что они будут похожи на корочку льда, какая бывает на лужах. А они стали похожи на полиэтиленовую пленку (рис. 18) – такие же мягкие и эластичные (1). Замерзшие мыльные пузыри и лопаются по-другому – не исчезают с брызгами как обычные, а просто разрываются (2).
Рис. 18. Ледяной пузырь: 1) мягкий и гибкий; 2) лопнувший пузырь
Вывод: Мыльные пузыри из-за действия ПАВ при замерзании образуют мягкую пленку.Если вспомнить наш асфальт, то можно сказать, что пленка ПАВ обволакивает и как бы склеивает битум со щебнем.
Проверка асфальта в лаборатории
В лаборатории БГТУ им. В.Г. Шухова было проверено качество асфальта, полученного из двух асфальтобетонных смесей: одна контрольная (битум и щебень [7]), другая исследуемая (битум, щебень и катионоактивное ПАВ (поверхностно-активное вещество)) (рис. 19) [3-5].
Рис. 19. Приготовление образцов асфальта
Готовые образцы были проверены на прочность при сжатии по ГОСТ 12001. Образец с ПАВ оказался более прочным, он выдержал силу нагружения до 34,65 кН, что соответствует 4,5 МПа, деформация при этом составила 4,81мм. (рис. 20). Образец с ПАВ оказался более прочным, он выдержал силу до 34,65 кН.
1) 2) 3)
Рис. 20. Проверка образцов на прочность: 1) установление образца на пресс; 2) включение пресса (действия силы); 3) получившиеся результаты образца с ПАВ
Следующее испытание на водопоглощение, позволило узнать, сколько образцы могут впитать воды. Для этого были взвешены сухие образцы. Далее их поместили в автоклав с водой на 1 час. И снова взвесили (рис. 21). Контрольный образец весил 0,726 кг, а образец без ПАВ весил больше 0,794 кг, то есть он больше впитал воды, значит в нем много пустот.
1) 2) 3)
Рис. 21. Проверка асфальта на водопоглощение:
1) взвешивание сухих образцов; 2) выдерживание в воде; 3) взвешивание влажных образцов
Вывод: установлено, что добавление поверхностно активных веществ (ПАВ) в состав асфальтобетонной смеси делают асфальт прочным, без трещин и пустот, вода практически не проникает в такой асфальт.
Таким образом подтвердилась третья гипотеза. Значит с ПАВ возможно сделать дороги более безопасными – вода не проникает в такой асфальт и не разрушает его при замерзании.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Практическая ценность работы заключается в найденном решении проблемы – если делать новые дороги с добавлением ПАВ, то ямы весной не появятся, и никакого волшебства в этом нет – это просто наука.
На основе проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
Специальные сайты работают! Отправив информацию на сайт «РосЯмы», можно ускорить ремонт дороги.
Асфальт не растворяется в воде, а ямы появляются из-за расширения воды в трещинах асфальта при замерзании.
Пленка ПАВ в асфальте как бы склеивает щебень и битум, делая асфальт прочным; вода не проникает в такой асфальт и не разрушает его при замерзании.
Добавление ПАВ в асфальтобетонную смесь поможет сделать безопасные дороги.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
Belgorodtv.ru: сайт. - Белгород 2018. - URL: http:/belgorodtv.ru/?p=133375 (дата обращения: 17.10.2021).
Fakty.ua: сайт. - 2021. - URL: http://fakty.ua/11148-chtoby-ne-povredit-podvesku-avtomobilya-pered-yamoj-kotoruyu-nevozmozhno-obehat-luchshe-nazhat-na-gaz (дата обращения: 17.10.2021).
Youtube.com: сайт - 2013. – URL: https://m.youtube.com/watch?v=n8qV-rZ_ehA (дата обращения: 17.10.2021).
Youtube.com: сайт - 2013. - URL: https://m.youtube.com/watch?v=JEnk7_40Iq8 (дата обращения: 17.10.2021).
Youtube.com: сайт – 2013 - URL: https://m.youtube.com/watch?v=nkpnFDMDXmI (дата обращения: 17.10.2021).
ГОСТ Р 50597-2017. Автомобильные дороги и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию, допустимому по условиям обеспечения безопасности дорожного движения. Методы контроля – М: Кодекс, 2017. – 28 с.
Нажимова, Н.Б. Роль минерального наполнителя в асфальтовой смеси / Н.Б. Нажимова, Э.Ж. Матякупов, Ш.Ф.К. Абдулаева // В сборнике: Молодой учёный. Сборник статей II Международного научно-исследовательского конкурса. ‒ Пенза, 2021. ‒ С. 15-18.