XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Современный уровень загрязнения приземного слоя атмосферы городов а, следовательно, и продолжительность жизни горожан, определяются не только массой выбросов промышленных предприятий и отработавших газов (ОГ) двигателей автомобилей, но и зависят от содержания продуктов изнашивания автомобильных шин, тормозных механизмов, дорожного покрытия, асфальтовых испарений c учётом изменения параметров автотранспортного потока [1-5]. Специальные исследования [3] показали, что канцерогенные продукты изнашивания шин, дорожного покрытия, а также испарения канцерогенных веществ от разогретого асфальтового покрытия, максимально выделяются в моменты торможений транспортных средств (ТС). В настоящее время на территории России более 755 тыс. км автомобильных дорог оснащены твердым покрытием, а интенсивность движения на дорогах значительно возросла, что способствует существенному увеличению интенсивности изнашивания асфальтобетонных покрытий на перегруженных городских магистралях и эмиссии загрязняющих веществ (ЗВ) из них. Причём, установлено, что масса ЗВ, поступающих в окружающую среду в результате износа дорожного полотна и асфальтовых испарений, значительно больше, чем от износа тормозных колодок и протекторов шин. Таким образом, вопросы повышения качества асфальтобетонного покрытия путём учёта содержания ЗВ в асфальтовых испарениях являются актуальными.

Цель исследования – изучить необходимость контроля эмиссии ЗВ из асфальтобетонных покрытий в процессе его эксплуатации.

Асфальтовая поверхность и проезжая часть дороги состоят из спрессованного заполнителя и битумного вяжущего. Битумное вяжущее может состоять из нагретой асфальтовой мастики или разжиженного асфальта. Следует учесть, что асфальт – самая тяжелая нефтяная фракция, относящаяся к полициклическим, гетероциклическим и ароматическим углеводородам. При приготовлении асфальтобетонной смеси в неё добавляют до пяти видов пластификаторов и различных добавок. Вязкие нефтяные дорожные битумы – основа асфальтовых покрытий – получают окислением продуктов прямой перегонки нефти и селективного разделения нефтепродуктов, а также компаундированием указанных окисленных и неокисленных продуктов или продуктов в виде остатка прямой перегонки нефти в соответствии с требованиями ГОСТ 22245-90.

Асфальтобетонные покрытия автомобильных дорог в процессе эксплуатации находятся под воздействием, главным образом, двух групп факторов – погодно-климатических и механических, обусловленных нагрузками от ТС. Под воздействием именно этих двух групп факторов происходят необратимые изменения свойств и структуры асфальтобетонного покрытия, снижающие его долговечность и увеличивающие изнашивание и эмиссию ЗВ (рисунок 1). Например, со временем при поглощении кислорода верхним слоем асфальтобетонного покрытия происходит деструкция высокомолекулярных углеводородов с выделением газообразных и жидких веществ (СО, СO₂, Н₂О, CH₂О и др.). Ненасыщенные группы углеводородов, содержащиеся в органических вяжущих, сравнительно легко отдают водород, который соединяется с кислородом воздуха, переводя их в еще более ненасыщенные химические соединения. Эти группы химических соединений впоследствии уплотняются, образуя более сложные высокоуглеродистые соединения.

Таким образом, в процессе старения изменяется групповой состав битума, что характеризуется уменьшением масляной и увеличением смолисто-асфальтеновой составляющих (рисунок 2). Эти изменения вызывают изменения структуры и свойств битума и асфальтобетона – повышается вязкость, теплоустойчивость, жесткость и упругость, понижается пластичность. Это способствует хрупким разрушениям асфальтобетона при низких зимних температурах и повышению эмиссии ЗВ при высоких.

Рисунок 1 – Основные факторы, влияющие на изнашивание и эмиссию загрязняющих веществ асфальтобетонного покрытия

а) – вязкий крегинг-битум; б) – вязкий окисленный битум

Рисунок 2 – Изменение группового состава битума после старения

В настоящее время по некоторым оценкам вклад асфальта в загрязнение городского воздуха в 10-15 % от общего количества антропогенных выбросов. Медицинскими исследованиями установлено, что испарения из асфальта и асфальтовая пыль могут быть причиной возникновения онкологических заболеваний. В асфальт пытаются добавить различные присадки, повышающие его износостойкость. Однако такие технологии кардинально не решают сложившуюся ситуацию. Специальные исследования В.А. Ермичева [6] показали, что при горячих способах укладки асфальтобетона выделяется 0,9 т/км асфальтовых испарений, тогда как при холодном способе укладки всего 0,33 т/км. Доказанное токсичное влияние на здоровье людей асфальтовых испарений привело к массовой замене в европейских столицах асфальтовых дорожных покрытий на покрытия из бетона. При этом выделения из асфальтовых покрытий наблюдаются не только в процессе укладки дорожного покрытия, но и при его эксплуатации.По данным Агентства по охране окружающей среды США 1 м² асфальтовых покрытий при нагреве до температур пластификации выбрасывает в атмосферу около 40 мг/м²·час толуола, более 90 мг/м²·час бензальдегида, а также ряд других углеводородов. Эти результаты частично согласуются с полученными при камеральных исследованиях «НАМИ» [7] и показывают возможность существенного влияния испарений асфальтового дорожного покрытия на уровень загрязнения приземного слоя атмосферы (таблица 1). Из приведенных в таблице 1 данных следует, что при температурах выше 40 °С в результате десорбции асфальтовое дорожное покрытие выделяет в атмосферу непредельные углеводороды и хлористый водород, а при дальнейшем росте температуры выделение в атмосферу данных ЗВ, и особенно формальдегида, резко возрастает.

Таблица 1 – Результаты химического анализа продуктов термодеструкции образца асфальтового дорожного покрытия [7]

Однако в нормативных документах отсутствуют индикаторы или обобщающие экологические показатели, характеризующие уровень загрязнения атмосферы асфальтовыми испарениями. Проведенные исследования подтвердили тот факт, что при формировании требований к экологической безопасности городов недооценивается влияние продуктов изнашивания дорожного покрытия и асфальтовых испарений на загрязнение окружающего воздуха. Для повышения экологической безопасности городов нами предлагается осуществлять постоянный мониторинг состава и концентраций выбросов ЗВ не только при укладке асфальтобетонных покрытий, но и при их эксплуатации. Причем специальные параметры мониторинга следует предусматривать при неблагоприятных условиях (повышенных температурах окружающей среды, высокой интенсивности автотранспортного потока). В качестве контролируемых показателей нами рекомендуется следующие ЗВ и аттестованные методики (методы), предлагаемые для их измерений: ацетон, бензол, ксилолы, толуол (ФР.1.31.2014.17787), стирол (ФР.1.31.2016.23996), акролеин (МУК 4.1.2472-09), формальдегид (МУК 4.1.2469-09), бенз(α)пирен (МУК 4.1.1273-03). Кроме того для обеспечения экологической безопасности городских пассажирских перевозок необходимо использовать очистку дорожных покрытий с помощью поливомоечных машин, а также сбор и удаление смёта подметально-уборочными машинами.

Работа выполнена под руководством заведующего кафедрой метрологии, стандартизации и сертификации – академика РАЕ, д-ра техн. наук, доцента Третьяк Л.Н.

Список литературы

1 Трофименко, Ю.В. Оценка загрязнения воздуха аэрозольными частицами размером менее 10 мкм от транспортных потоков на городских автомагистралях / Ю.В. Трофименко, В.С. Чижова.// Экология и промышленность России, 2012. – № 9. – С. 41-45.

2 Хесина, А.Я. Исследование содержания химических канцерогенных веществ в шинных резинах / А.Я. Хесина, Л.В. Кривошеева, О.Б. Третьяков, В.А. Корнеев, С.Л. Реутов, Н.И. Ободовская // Тезисы докладов Российской научно-практической конференции резинщиков – М.:1998. – С. 441-443.

3 Третьяк, Л. Н. Обеспечение экологической безопасности автотранспортных потоков путём комплексного учёта выбросов вредных веществ и разработки организационно-технических мероприятий / Л.Н. Третьяк, А.С. Вольнов, Д.А. Косых // Интеллект. Инновации. Инвестиции, 2017. – № 11. – С. 40-46.

4 Андриянцева, C.А. Снижение эмиссии углеводородов в атмосферу при отверждении дорожных асфальтобетонных покрытий / C.А. Андриянцева, А.В. Бондаренко // Научный вестник Воронежского ГАСУ. – 2012. – №1(25). – С. 171-175.

5 Леванчук, А.В. Гигиеническая характеристика воздушной среды в зоне влияния дорожно-автомобильного комплекса [Электронный ресурс]. /А.В. Леванчук // Журнал «Медицина и образование в Сибири». – Режим доступа: http://ngmu.ru/cozo/mos/article/text_full.php?id=1627. – 20.01.2021.

6 Ермичев, В.А. Экологическая оценка технологий укладки асфальтобетонных смесей / В.А. Ермичев, Л.А. Сильченко, С.А. Донцов, В.В. Ермолин / Брянская государственная инженерно-технологическая академия [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://science-bsea.bgita.ru/2003/mashin_2003/ermichev.htm – 20.01.2021.

7 Азаров, В.К. Разработка комплексной методики исследований и оценки экологической безопасности и энергоэффективности автомобилей: дисс.…канд. техн. наук: 05.05.03. / В.К. Азаров. – Москва: НИИ автомоб. и автомотор. Ин-т «НАМИ», 2014. – 137 с.