Самовъзстановяващи се пътища: Кои са иновациите в строителните материали, които ще накарат улици и магистрали да се поправят сами

Тъй като глобалната инфраструктура остарява и пътищата по света се сблъскват с нарастващ трафик, екстремни метеорологични явления и общо износване, инженерите и учените постоянно търсят иновативни решения за тяхната поддръжка. Едно от най-вълнуващите постижения в тази област е концепцията за самовъзстановяващи се пътища – които могат автоматично да откриват и поправят щетите без човешка намеса. Тази иновация бързо набира сила и множество проекти и пробиви започват да показват, че бъдещето на пътната инфраструктура може да е коренно различно от това, което познаваме днес. В следващите редове ще разберете как инженерите проектират пътища, които се ремонтират сами, използваните материали и технологии и някои примери от реалния свят за това новаторско развитие.

Концепцията за самовъзстановяващи се пътища

По същество самовъзстановяващите се пътища функционират почти по същия начин като самовъзстановяващите се материали в природата. Представете си път, който не се нуждае от повторно асфалтиране или закърпване всеки път, когато се появи пукнатина или дупка. Вместо това той има способността да се „самолекува“, като значително намалява разходите за ремонт, прекъсванията на трафика и въздействието върху околната среда, свързани с традиционната поддръжка на пътищата. Тези пътища използват интелигентни материали, вградени сензори и иновативни техники, които им позволяват да реагират автономно на пукнатини и други щети.

Тази концепция се ръководи от няколко иновативни материала, които „запомнят“ оригиналната си форма, до бактерии, които естествено произвеждат лечебни агенти, когато е необходимо. Чрез вграждането на тези материали в структурата на пътищата, самовъзстановяващите се пътища биха могли да функционират като живи организми, реагирайки на щети и лекувайки ги, без да изискват човешки труд или намеса.

Ролята на интелигентните материали

Самовъзстановяващите се пътища разчитат в голяма степен на интелигентни материали – специализирани вещества, проектирани да реагират на условията на околната среда или физически щети по начини, които възстановяват първоначалната им цялост. 

Сред тях са:

Технология за микрокапсулиране

Микрокапсулирането включва вграждане на малки капсули, пълни с лечебен агент – като течен епоксид, полимер или други свързващи агенти – в пътната повърхност. Тези капсули са толкова малки, че могат да бъдат равномерно разпръснати по настилката. Когато в пътната настилка се образуват пукнатини поради напрежение или натоварване от трафик, микрокапсулите се отварят, освобождавайки своите лечебни агенти директно в пукнатината. Това позволява на пукнатината да се запълни и заздрави сама, възстановявайки структурната цялост на пътя.

Един пример за тази технология се тества от изследователи от Университета в Единбург, където е приложено микрокапсулиране върху бетонни повърхности за възстановяване на пукнатини. Проектът показа обещаващи резултати, демонстрирайки, че пукнатини, по-малки от 0.1 mm, могат да бъдат поправени ефективно с микрокапсулирани лечебни агенти.

Бактериален бетон (биобетон)

В завладяващ и иновативен подход някои инженери са започнали да включват бактерии в бетонови смеси, за да позволят „самолечение“. Тази концепция, известна като биобетон, използва спори на специфични бактерии като Bacillus pasteurii, които се вграждат в бетона, когато се смесва. Те са латентни, когато първоначално се смесят с бетона, но когато водата навлезе в пукнатина, бактериите се активират и започват да метаболизират калциевия лактат. Това води до производството на калциев карбонат, естествен материал, който запълва пукнатината, втвърдява и укрепва бетона.

Един успешен реален пример за тази технология е проектът за самовъзстановяващ се бетон, ръководен от Университета на Айндховен в Холандия. Изследователи от тази институция успешно са разработили биобетон, който може да ремонтира пукнатини с ширина до 0.5 mm. През 2015 г. те започват да тестват този материал в редица приложения, включително мостове и настилки, показвайки, че бактериалният бетон може да намали нуждата от скъпи ремонти с течение на времето.

Полимери с памет за формата (SMP)

Полимерите с памет за формата (SMP) са материали, които имат уникалната способност да „запомнят“ оригиналната си форма. Когато тези полимери се деформират от напрежение, като например когато пътната повърхност се напука, те могат да се върнат в първоначалната си форма, когато бъдат изложени на стимул – често топлина или UV светлина. Това може да ги направи идеални кандидати за самостоятелно ремонтиране на пътни настилки.

Изследователи в Италия и Съединените щати проучват използването на SMP за ремонт на асфалтови пътища. Инженери от Калифорнийския университет Бъркли например работят върху асфалтови смеси, които включват SMPs, които могат да реагират на температурни промени. Когато температурата се повиши, например в горещ ден, полимерите омекват и се вливат в пукнатини, като ефективно ги запълват и ремонтират.

Термопластични материали

Термопластичните материали, които могат да бъдат разтопени и преформатирани при нагряване, са намерили приложение и в самовъзстановяващи се пътни системи. Този иновативен подход би могъл да позволи на пътните настилки да се „претопят“ в отговор на пукнатини и дупки, ефективно затваряйки празнините и възстановявайки гладкостта. Термопластичният материал е особено подходящ за използване в зони с тежък трафик, където често възникват повреди поради постоянно налягане.

Всъщност някои системи за пътна маркировка вече използват термопластична технология. През 2019 г. екип от изследователи от Университета на Нов Южен Уелс в Австралия изследва термопластичния асфалт като потенциално решение за самовъзстановяващи се пътища. Идеята е тези материали да могат да се използват не само за пътна маркировка, но и като основна повърхност на самите пътища. Когато възникнат пукнатини, те могат да бъдат претопени с помощта на топлината на слънцето или чрез вградени нагревателни системи, затваряйки празнините и предотвратявайки по-нататъшни повреди.

Вградени сензори и интегриране на IoT

В допълнение към интелигентните материали, самовъзстановяващите се пътища могат да бъдат оборудвани и с вградени сензори, които следят здравето на пътната настилка в реално време. Тези сензори откриват наличието на пукнатини, дупки или размествания в пътното платно, причинени от трафик или метеорологични условия. Данните от тези сензори се предават на централна система за наблюдение, която може да задейства автоматичен процес на самовъзстановяване или да предупреди екипите за поддръжка, когато е необходима ръчна намеса.

Проектът за интелигентна магистрал в Нидерландия е един такъв пример за това как сензорите и IoT (Интернет на нещата) се интегрират в пътищата. Този проект, известен като Smart Highway, включва пътища, в които са вградени слънчеви панели, LED светлини и сензори. Целта е да се наблюдават условията на трафика, промените в околната среда и здравето на пътя, докато се използва възобновяема енергия. Системата може да открие проблеми в реално време и да предупреди екипите за управление на трафика да предприемат навременни действия.

Освен това използването на сензори може да помогне за по-добро прогнозиране кога и къде ще се наложи поддръжка на пътищата, като по този начин позволява на градовете да извършват превантивни мерки, а не реактивни ремонти.

Примери от реалния свят за самовъзстановяващи се пътища

Нидерландия: Умната магистрала

Нидерландия е пионер във внедряването на интелигентни технологии в своите пътища. Концепцията Smart Highway, инициирана от проектантите Daan Roosegaarde и Heijmans Infrastructure, включва пътища, които интегрират възобновяема енергия и интелигентни функции. Тези пътища са предназначени за зареждане на електрически превозни средства, осветяване с динамични LED светлини и имат самовъзстановяващи се покрития за отстраняване на щети.

Въпреки че не се самовъзстановява напълно, тази магистрала включва захранвани със слънчева енергия сензори и пътни маркировки, които могат да се адаптират към метеорологичните условия, като ефективно реагират на износването на пътя и моделите на движение. Проектът се тества по магистрали в Холандия и се очаква да бъде разширен в Европа в бъдеще.

Първият пилотен проект за самовъзстановяващ се бетон в Обединеното кралство

В Обединеното кралство през 2020 г. стартира пилотен проект за тестване на потенциала на самовъзстановяващия се бетон за ремонт на инфраструктура. Град Хъл постави самовъзстановяващи се бетонни блокове, за да запълни празнини в остарялата улична мрежа. Материалът, използван в проекта, съдържа микрокапсули, за които разказахме по-горе.

Проектът се наблюдава отблизо, за да се оцени колко добре се представя материалът в реални условия. Ако успее, това може да проправи пътя за широкото приемане на самовъзстановяващ се бетон върху пътни настилки и друга градска инфраструктура.

Япония: Самовъзстановяващ се асфалт

Япония, известна със своите напреднали технологии и инженерни постижения, също проучи възможността за самовъзстановяване на пътища. Японски инженери са разработили вид асфалт, който съдържа самовъзстановяващ се агент, който се активира при излагане на топлина. Асфалтът може да се претопи и да затвори малки пукнатини, които иначе биха изисквали ръчен ремонт. Тази технология се тества в различни градове в Япония, за да се определи нейната ефективност в градските райони с голям трафик.

Ползи и предизвикателства

Докато „обещанието“ за самовъзстановяващи се пътища е неоспоримо, все още има няколко предизвикателства за преодоляване. Разходите за разработване на тези модерни материали и вграждане на сензори са все още високи и дългосрочната издръжливост трябва да бъде щателно тествана при различни условия на околната среда. Освен това, докато тези технологии могат да помогнат за предотвратяване на най-често срещаните видове щети, те може да не са в състояние да се справят с по-сериозни структурни проблеми, като големи слягания на пътя.

Въпреки това потенциалните ползи са ясни. Самовъзстановяващите се пътища могат драстично да намалят разходите, свързани с ремонта и поддръжката им, да подобрят пътната безопасност чрез предотвратяване на дупки и пукнатини, да удължат живота на инфраструктурата и да намалят екологичните отпадъци чрез намаляване на честотата на проектите за повторно полагане на настилка. С напредването на технологиите е вероятно тези пътища да станат по-разпространени и обичайни в близко бъдеще.

Източник на информацията: Science Daily; Materials Today; Civil Engineering Magazine и др.

Източник на снимковия материал: DRYCO,  Daan Roosegaarde, ©Engineer.BG via Canva