Краткая история подогрева дорог. Часть первая
Оценить грандиозность инженерной задачи подогреть (и/или охладить) дорожное полотно автомобильных трасс и городских улиц можно только в сравнении. По разным данным в мире от 64 млн до 21 млн км автодорог и городских улиц. Большее доверие внушает вторая, меньшая цифра. Эти данные были получены голландскими учеными-геодезистами в 2018 году в рамках «Глобального проекта инвентаризации дорог (GRIP)» и опубликованы в их статье «Глобальные модели существующей и будущей дорожной инфраструктуры» («Global patterns of current and future road infrastructure») в солидном международном журнале Environmental Research Letters.
Они собрали и привели, как говорится, к общему знаменателю, около 60 наборов геопространственных данных о дорожной инфраструктуре в 222 странах мира из самых разных источников: от спутниковых снимков, карт ArcGIS и OpenStreetMap до данных объявленного ими краудсорсинга, отдавая при этом предпочтение наднациональным данным, чтобы избежать предвзятости отдельных в оценке собственной автодорожной сети. Масштаб был в диапазоне от 1:100 000 до 1:500 000, чтобы уменьшить погрешность в оценке покрытия дорог, а сами дороги поделены на пять типов: 1) хайвеи; 2) главные (многополосные) дороги; 3) второстепенные дороги (асфальтированные, с высокой интенсивностью движения); 4) третьестепенные дороги (асфальтированные или грунтовые); 5) местные дороги.
В прошлом году Адам Симингтон, отец-основатель проекта PythonMaps, «направленного на создание информативных визуализаций, показывающих мир в новом и интересном свете» (и, разумеется, на продвижение новых версий языка программирования Python), использовал эти данные для составления серии «карт всех дорог в мире», которые моментально, как сейчас говорят, «завирусились» в соцсетях. Но лучше пользоваться голландским первоисточником, он свободно доступен в сети и любой желающий может посмотреть там такие же карты и заодно таблицу с километражем всех пяти типов автодорог, чего нет у Симингтона.
Понятно, что подогрев грунтовых дорог тоже в принципе возможен и даже менее трудозатратен, чем асфальтированных, но едва ли кто-то будет их подогревать, разве что местные энтузиасты на свои кровные, как говорится. Дорог же первых трех типов с асфальтовым покрытием в мире около 7 млн км. С учетом же того, что условная метеограница минусовых на уровне моря температур зимой проходит примерно по 35-му градусу обеих полушарий, а в северном полушарии к северу от нее расположено большинство дорог с асфальтовым покрытием, то можно смело делить эту цифру пополам. Но и 3 млн км — чересчур большая протяженность, чтобы ее подогреть всю. На сегодня общая протяженность дорог с подогревом, включая подогреваемые тротуары, железнодорожные перроны и мосты, если и превышает пару-тройку сотен километров во всем мире, то ненамного.
Сейчас заметно теплее, чем в прошлые века, когда замерзал Босфор, а снежные заносы были обычным явлением между 34-й и 47-й параллелями (а это вся южная Европа), не говоря уже о более северных широтах. В начале XIX века Малый ледниковый период, длившийся аж с XIV века, закончился и началось постепенное потепление с максимумом в 1940-е годы. В целом же на Земле с середины XIX века до 1940-х годов потеплело на 0,5 градуса Цельсия. Это много, но в последние два десятилетия XIX века снова было краткое глобальное похолодание на 0,2 градуса Цельсия. А потом столбик термометра опять пошел вверх. В 1950-е годы начался новый цикл похолодания: в период 1958-1963 гг. средняя температура в северном полушарии упала на 0,6°C. Сейчас мы находимся в очередной фазе потепления.
Если наложить на эту климатическую шкалу достижения инженерной и изобретательской мысли в области транспорта, то получится, что проблема заноса снегом и оледенения дорог встала во весь рост при появлении на них автомобилей, то есть в начале прошлого века, в период пусть пока еще незаметного, но прогрессирующего смягчения климата, а вот паровозы и в целом железнодорожный транспорт появились еще в довольно прохладное и более снежное время. В 1820-е годы поезда начали регулярно ходить в Англии, в 1830-е годы — в континентальной Европе и Америке, а 31 марта 1840 года некий Чарлз Лоуберт (история не сохранила деталей его биографии) из Филадельфии получил патент на «машину для уборки снега с железных дорог».
Потом в технической литературе такую конструкцию, похожую на нос дредноута, назовут клиновидным (V-образным, двухотвальным) снежным плугом. Паровоз толкал этот плуг вперед, он поднимал снег и отваливал его по обе стороны рельсового пути. «То, что я заявляю как свое изобретение, — писал мистер Лоуберт, — и желаю закрепить патентным письмом, — это способ разделения и уборки снега на железнодорожных путях с помощью крыльев наклонной плоскости на треугольной раме».
Спустя полвека появились роторные снегоочистители железных дорог, фактически гигантские вентиляторы, которые устанавливались спереди на паровоз и своими многочисленными лопастями-лопатками сметали в стороны снег с рельсов. Плуговые и роторные снегоочистители совершенствовались, патентов на их разновидности на сегодня накопилось уже сотни, если не тысячи. Но ничего принципиально нового в области механической уборки снега помимо его сдвигания в стороны и сметания (в том числе на транспортерные ленты) тут не появилось.
В доавтомобильную эпоху гужевого транспорта снежные заносы на городских улицах и на больших и малых дорогах ликвидировались либо вручную, либо с помощью того же снежного плуга, как правило одноотвального, в упряжке лошадей или волов. В Пруссии, например, ведущий производитель сельскохозяйственных плугов Генрих Эккерт, чьи плуги экспортировались во многие европейские страны и в Россию, выпускал и снегоотвальные плуги, которые использовались в Берлине и, наверное, в других европейских городах. Но если подметально-уборочные машины на гужевой тяге худо-бедно справлялись с расчисткой городских улиц от снега, то с уборкой этих снежных отвалов сдвинутых с проезжей части и тротуаров и сколотого вручную льда была проблема. Все это приходилось вывозить куда-нибудь подальше или сбрасывать в местные водоемы.
Понятно, что не замедлила реализоваться идея снегоплавильных мобильных машин. В 1887 году берлинский фабрикант и изобретатель Хентшель запатентовал «машину для таяния снега на дорогах» (рейхспатент № 40953 от 28 января 1887 года) с печкой на угле. Воду из нее предполагалось сливать в городскую ливневку. Но на берлинские улицы она выехала только 20 лет спустя и уже с электрическим приводом и, недолго поездив по ним в штучном экземпляре, канула в Лету инженерной мысли и вынырнула оттуда много лет спустя в виде стационарных снегоплавильных установок.
В эпоху гужевого транспорта наличие снега на дорогах было более чем желательно, причем утрамбованного снега, по которому зимние сани, возки, экипажи, кареты, дилижансы на полозьях развивали скорости, сравнимые со скоростью первых автомобилей, а то и выше. Но вот что интересно. Всерьез изучением снежного наката, как сейчас называют утрамбованный в монолит снег в специальной литературе, инженеры-дорожники озаботились только во второй половине ХХ века. В инженерной гляциологии ему даже нашли природный аналог в виде ярко выраженных пингвиньих тропинок, троп и даже дорог в Антарктиде. Способствовало этому война, когда возникла необходимость строительства зимних аэродромов и взлетно-посадочных полос из снежного наката. В 1944 году «Оборониздат» выпустил стостраничное пособие инженер-подполковника Василия Ефимовича Харькова «Методы уплотнения и уборки снега на аэродромах».
А совсем недавно, в зиму 2014/2015 гг., в Ивановской области инженеры-дорожники провели любопытный эксперимент. На девяти километрах разных дорог они допустили произвольное формирование снежного наката. В итоге экологическое состояние придорожной полосы улучшилось, качество дорожного покрытия сохранилось на уровне первых морозов, а количество ДТП сократилось до нуля. Эксперимент продолжили в соседних областях уже на 4500 км дорог с невысокой интенсивностью движения. В это трудно поверить, но теперь трассы в средней полосе России с нагрузкой менее 300 автомобилей в сутки рекомендовано содержать «под снежным накатом».
Правда, как пишет профессор Владимир Алексеев из лаборатории инженерной геокриологии Института мерзлотоведения СО РАН, в его краях у инженеров-дорожников ивановское «открытие» вызвало лишь саркастическую улыбку. Ведь в дорожно-климатической зоне, охватывающей почти всю Сибирь и Дальний Восток, снежный накат издавна служит свою службу не только на автозимниках и дорогах местного значения, но и на некоторых участках федеральных трасс. Более того, местами он создается искусственно для того, чтобы скрыть дефекты дорожного покрытия. Но это сейчас, а на заре автомобильной эры такое казалось дикой отсталостью от прогресса. И в начале 1920-х годов, когда был уже довольно оживленный автомобильный трафик, на городские улицы и дороги выехали первые снегоуборочные машины.
Они тоже поначалу использовали клиновидный плуг, причем использовали его довольно долго. Вот, например, патент US №2188805 Олафа Бергесона 1940 года (с приоритетом от 15 февраля 1939 года) на V-образный снегоуборочный плуг, который складывался как веер на заданную ширину для уборки снега с тротуаров и узких городских улиц и сельских проселков. У нас снегоочиститель ДАК-5, разработанный в 1935 году в Центральном автоэксплуатационном НИИ (ныне НИИ автомобильного транспорта — НИИАТ) тоже имел клиновидный плуг, который опирался на две лыжи и крепился на трехтонку ЗИС-5. Более легкий снежный плуг крепился на полуторку ГАЗ-АА. Клиновидные плуги исчезают со снегоуборочных машин только в послевоенные годы, уступив место одновальным плугам и идущими за ними щетками под рамой машины и дисковым разбрасывателем антигололедной смеси из песка и соли под задним бортом кузова снегоуборочной машины.
Поначалу снегоуборочные машины с разбрасывателем посыпали дороги только песком, золой, гранитной или мраморной крошкой и любым другим сыпучим абразивом, который был под рукой и стоил недорого. Соль на дороги с машин еще не сыпали. Это можно проследить по патентным историям в довоенных и послевоенных патентных заявках на разные варианты дорожного разбрасывателя, который, как видно из тех же патентных историй, свою собственную историю ведет от механизированных сеялок и разбрасывателей удобрений (тогда еще исключительно натуральных) XIX века.
Например, в заявках французского патента FR 731773 1932 года и американского патента US2512955 1945 года речь идет о «центробежном пескоструйном аппарате для дорог» и «дисковом разбрасывателе песка и сыпучего гранулированного материала». А вот в патент US664368 1957 года уже прямо сказано, что «данное изобретение относится к усовершенствованиям разбрасывателей таких материалов, как песок и соль, по улицам и автомагистралям для контроля их оледенения». При этом суть изобретения заключалась в том, что шофер мог управлять радиусом и высотой разбрасывания, чтобы песок с солью «проходил под и между припаркованными автомобилями, не забрасывая сами автомобили».
Иными словами, если в середине 1940-х годов и раньше снегоочистители посыпали дороги только песком и прочими абразивами для увеличения коэффициента сцепления колес машин с оледеневшим или снежным дорожным покрытием, то во второй половине 1950-х годов инженеры и изобретатели уже не изобретали, а совершенствовали разбрасыватели противогололедной пескосолевой смеси. То есть за это десятилетие химический «подогрев» дорог успел принять масштабный характер. И не только на Западе, но и у нас тоже.
В 1940 году ярославская пятитонка ЯГ-4 и ЗиС-5 разбрасывали по дорогам песок, а первая еще была оснащена пакетом скребков для скалывания льда с дорог. А в 1956 году на дороги вышли снегоуборочные машины на базе ГАЗ-51 и ЗИС-150 с разбрасывателями пескосолевой смеси. В зимний сезон 1956/57 гг. они высыпали на улицы Москвы 120 тысяч кубометров речного песка и шесть тысяч тонн соли.
В деталях физико-химического механизма таяния льда и снега под действием соли ученые окончательно разобрались только в прошлом веке, но сам этот феномен был известен с незапамятных времен. Соли (хлорида натрия) на Земле много. В начале 1920-х годов академик Александр Ферсман посчитал, в Мировом океане соли столько, что ею можно засыпать все материки слоем толщиной в пять километров. Это без учета ее содержания в земной коре в виде каменной соли, соляных растворов и, наконец, в живых организмах (одним из первых источников пищевой соли для наших предков была зола растений). Почему дороги не посыпали зимой солью раньше, а тысячелетиями мучались со снегоуборкой, предельно понятно: лишней соли для этого не было.
Правда, это вроде бы логичное утверждение голословно. Данных об объемах мировой добычи соли до прошлого века нет и быть не может. Слишком децентрализована была эта промышленность для ее верифицированной оценки по предшествующим векам. Возможны только косвенные доказательства. Например, такая. Средняя норма потребления соли человеком около 10 г/день, то есть 3,5 кг в год. Население Земли к началу XVIII века достигло примерно 600 млн человек, то есть в год только для приема соли внутрь им требовалось 2 млн тонн соли. Спустя век людей было уже миллиард, и далее рост их численности пошел по экспоненте. Соответственно росло производство соли. Пандемий синдрома церебральной потери соли, острого гастрита и прочих недугов, связанных с недостатком соли в организме, в обозримом прошлом точно не наблюдалось, забыть такое невозможно. Следовательно, соли в пищу хватало.
Когда же появился ее значительный избыток и она подешевела настолько, чтобы ее сыпать под ноги себе и лошадям, а потом под копыта лошадей и колеса автомобилей, сказать можно точнее. Это произошло в Париже в нулевые годы прошлого века. Хотя вполне можно допустить, что и раньше солью топили лед у дворца дожей на венецианской площади Святого Марка и на ступенях Императорского подъезда Зимнего дворца. Но это были столь незначительные события, что историки просто не обращают на них внимание. К концу XIX века себестоимость на соль в нашем отечестве упала до 7-8 копеек за пуд (меньше 1 копейки за 2,5 кг), и по меньшей мере в обеих столицах городские власти вполне могли посыпать дороги солью. Но первый эксперимент по химическому подогреву дорог, как уже сказано, провели парижские власти. И отказались от этой практики, сочли ее воздействие на копыта тягловых животных, а также на железные уличные конструкции и мосты «особенно неблагоприятным».
Вернулись к масштабному использованию соли только после Второй мировой войны, как об этом косвенно свидетельствует патентный бум на автомобильные разбрасыватели соли, и не потому, что инженеры-дорожники произвели переоценку вредного воздействия соли, а из-за возросшего автомобильного трафика. И параллельно стали искать другие химические «подогреватели дорог», плавящие лед при температурах ниже —20 градусов Цельсия, когда хлорид натрия не работает, и щадящие как «одежду дорог» (профессиональный термин для слоев сложного полотна), так и обувь людей, лапы животных и окрестные растения. Открытий и изобретений в этой области была масса, одно их перечисление заняло бы слишком много места. Среди них даже такое «открытие»: наиболее успешно противостоит рассолу на тротуарах обувь из натуральной кожи, хорошо начищенные ваксой, и это не шутка.
Что касается защиты от соли «дорожных одежд», то здесь проблема заключалась в том, что талая вода проникала в асфальтобетон и разрушала его изнутри. Решение проблемы виделось в заполнении микропустот в асфальте гидрофобными материалами, такими, как 50%-ный раствор кипяченого льняного масла в керосине, соевое масло, модифицированное касторовое масло, эпоксидная смола с наполнителем из песка или каменноугольной смолы и т.п. Или термопластиками, например, полиэтиленгликолем. Желающие узнать детали могут заглянуть в патент US4094805 1978 года, который довольно часто цитируется в отечественных патентах на антигололедные смеси. Там довольно кратко и емко описана ситуация с защитой дорожных одежд от соли на тот момент. Что же касается собственно антигололедных реагентов на замену соли, то их на сегодня накопилось несколько десятков от хлоридов кальция и магния до мочевины, свекольного сока и кофейной гущи. Последней в кофейных автоматах и домашних кофеварках накапливается в мире до 15 млн тонн. Для гадания это чересчур много, вот и стараются приспособить ее для полезных нужд.
Итог инженерно-изобретательской мысли ХХ века в области химического подогрева дорог подвел профессор Анатолий Клёсов в патенте US6156226 от 5 декабря 2000 года. Этот патент касается изобретения «метода пропитки гранул из пористой целлюлозно-бумажной массы на органической основе жидкими противообледенительными средствами, включающими нейтральные или щелочные, нехлоридные, нефосфатные и негликолевые композиции, которые поддаются биологическому разложению, нетоксичны и безвредны для окружающей среды».
Заявка на изобретение была подана компанией Thermo Fibergen, которая специализировалась на переработке отходов целлюлозно-бумажной промышленности, производя из них гранулы-носители сельскохозяйственных химикатов и пестицидов. Гранулы с антигололедными реагентами были еще одной областью применения их технологии гранулирования химикатов, разработанных в компании под руководством биохимика-энзимолога Анатолия Клёсова, который в те годы был ее штатным консультантом.
Патент сам по себе интересен, но гораздо интереснее он изложенной в нем «Предысторией изобретения». Этот раздел в патентах обычно касается непосредственно предмета изобретения. Здесь же в нем две части. Непосредственно изобретения касается лишь вторая из них, коротенькая, где речь идет об утилизации целлюлозно-бумажного шлама. А первая, раз в пять больше, посвящена истории поиска противогололедных химических соединений и их композиций взамен хлориду натрия. В ней перечислено 67 американских, европейских и советских патентов за период с 1956-го по 1998-й год. Фактически вся патентная история химического подогрева дорог. Перечислять их здесь не имеет смысла. Те, кому это интересно или нужно, могут сами пройтись по этим патентам, все они свободно доступны в интернете. Можно лишь сказать, что за четверть века с момента заполнения профессором Клёсовым патентной заявки в 1999 году к этому мало что добавилось.
В следующей статье мы подробно расскажем, собственно, о физических способах подогрева дорог.
Полезное от Онлайн Патент:
Выйдет очень дорого, но, если посчитать зпшку сотрудников убирающих снег, то сумма получается та же!