Сергей Иноземцев: «Асфальтобетон со свойством самовосстановления»
Группа молодых ученых из Московского государственного строительного университета представила отечественную разработку – самовосстанавливающийся асфальтобетон. Особый компонент умного материала позволяет ликвидировать часть образовывающихся в процессе эксплуатации трещин, тем самым увеличивая сроки нормативного состояния отдельных участков дорог. Подробнее о самовосстанавливающихся асфальтобетонах «Строительному еженедельнику» рассказал руководитель исследований Сергей Иноземцев, кандидат технических наук, доцент кафедры строительного материаловедения НИУ МГСУ.
– Сергей Сергеевич, как пришла идея заняться разработкой и созданием этого умного материала?
– Мы наблюдали, как у классического щебеночно-мастичного асфальтобетона ЩМА-15 в некоторых случаях проявляется эффект естественного восстановления, связанный с термопластичными свойствами битума преимущественно за счет легких фракций. Однако самовосстановление показателей происходит при повышенных температурах, что не дает возможности использовать данный потенциал, ведь нельзя позволить «размягчить» дорогу до такой степени, чтобы она восстановилась. И мы приступили к работе над тем, чтобы данный эффект кратно усилить и научиться им управлять, получили поддержку от Российского научного фонда и сформировали команду ученых, которая занялась исследованием этой проблемы.
– Какую технологию самовосстановления удалось разработать вашей команде?
– Ключевым компонентом нашей технологии являются специальные капсулы-контейнеры с полимером внутри, которые добавляются в асфальтобетонную смесь. Они предназначены для того, чтобы запасать вещество внутри себя, и, как только в процессе эксплуатации асфальтобетон начнет разрушаться и будут формироваться дефекты и трещины, из капсул высвободится полимер, который, полимеризуясь, склеит берега трещин и вернет асфальтобетону способность сопротивляться нагрузкам. Таким образом достигается эффект самовосстановления.
Мы апробировали капсулу на щебеночно-мастичных смесях ЩМА-15 и определили, что оптимальная концентрация капсул на уровне 3% от количества битума позволяет достичь максимального восстановительного эффекта.
– Какой полимер заложен в основу технологии? И самое главное – это российский продукт?
– С самого начала наших исследований на данную тему мы применяли только те компоненты, которые производят в России. В качестве активного компонента мы рассматривали несколько веществ и в конечном итоге выбрали тот, что дает лучший эффект самовосстановления. Производят этот AR-полимер в Казани, и я не уверен, что за рубежом есть аналоги.
– На данный момент в МГСУ есть опытные образцы?
– Да, конечно. Исследовательская работа еще не завершена, поэтому мы преимущественно работаем на опытных образцах, созданных в лаборатории.
На конкретных дорожных участках пока не работаем, но если представители отрасли будут заинтересованы в том, чтобы на текущем этапе осуществить работы по апробации, то мы готовы в этом направлении двигаться, чтобы достаточно быстро подготовить и необходимые материалы, и документы.
– В целом на каком этапе сейчас находится научная работа?
– Проект поддержан Российским научным фондом и рассчитан на несколько лет. Суть заключается в том, чтобы разработать общую концепцию того, как создавать подобного рода материалы. Не просто разработать самовосстанавливающийся материал, а сформулировать общие подходы, для того чтобы у отрасли были инструменты для создания собственного варианта подобного материалов.
На данный момент сама концепция принципиально готова, и у нас достаточно материалов, чтобы перейти к созданию промышленной партии. Вопрос в заинтересованности отрасли.
– Подобный материал существует в российской и зарубежной практике? Это импортозамещение или отечественное открытие?
– Само по себе исследование в области умных материалов, включая и самовосстанавливающиеся, является общемировой тенденцией в строительном материаловедении. За последние десять лет количество работ, посвященных данной теме, выросло в 3–3,5 раза, и в их числе есть ряд зарубежных и отечественных.
Иностранные исследователи предлагают использовать в качестве запасающего вещества внутри капсул различного рода масляные отходы, тогда как наше решение предлагает в качестве активного компонента применять полимер. В своих исследованиях мы сравнивали два этих подхода и доказали, что капсулы с полимерным активным веществом значительно превосходят масляные и обладают бо́льшим преимуществом.
– В чем заключается различие двух активных веществ и почему выбран именно полимер?
– Прежде всего отличается механизм воздействия на структуру асфальтобетона. Если в качестве восстанавливающего агента в капсулах используются масла, то в момент разрушения происходит следующий процесс: вещество высвобождается, смачивает стенки трещин, частично диффундируя, – по сути, разжижает материал омолаживая битум. В результате этого процесса происходит некоторое восстановление пластичности асфальтобетона.
В случае с применением полимера механизм действия иной. При разрушении капсул высвобождается полимер, который также смачивает берега трещин, частично диффундируя полимеризуется. В результате полимер изнутри склеивает часть дефектов, и за счет этого мы получаем не просто увеличенную пластичность, но и восстановленные связи внутри материала. В этом случае показатели самовосстановления асфальтобетона выше.
– Пластичность асфальтобетона иногда грозит образованием колейности на дороге. Как разрешаются эти риски?
– Как раз одним из главных недостатков применения масляных капсул является неблагоприятная пластичность, которая может привести к образованию колей. И для того, чтобы отойти от данного риска, нами было принято решение найти другой механизм действия. В случае с полимерным наполнителем капсулы склеивание трещин позволяет не допускать разжижения матрицы, давая лучшие показатели упругости и сопротивления.
– По информации МГСУ, подрядчики используют подобные технологии?
– Время от времени в прессе встречаются заголовки, посвященные умным материалам и нанотехнологиям в дорожном строительстве, но в России нет примеров внедрения или апробации асфальтобетонов со свойствами самовосстановления.
Знаю, что китайские коллеги запустили производство промышленного продукта в виде подобных капсул с масляным веществом внутри, однако информации об успешной реализации пока нет.
– Наверняка в вашей работе есть раздел, посвященный технико-экономическому обоснованию и целесообразности использования технологии самовосстанавливающихся асфальтобетонов. Можете поделиться данными расчетов?
– Разумеется, мы сделали экономические расчеты, которые основаны на оценке себестоимости и технического эффекта. Согласно нашим расчетам, использование капсул позволяет получать асфальтобетон, который не просто соответствует всем требованиям стандартов, но и обладает дополнительным набором уникальных свойств. Все это позволяет эксплуатировать участок дороги больший период времени. По сравнению с классическими щебеночно-мастичными смесями, несмотря на незначительное удорожание себестоимости материала, технико-экономическая эффективность достигает не менее 33%.
– В данном случае, что вкладываете в понятие эффективности?
– Мы исследовали стабильность во времени структурно-чувствительных параметров, таких как прочность. Со временем в процессе эксплуатации она уменьшается, то есть под воздействием различных факторов происходит разрушение материала и деструктивные процессы отражаются на показателях. Наблюдая за работой капсул, мы видим, что в период самовосстановления прочность возрастает, а технические показатели стремятся к первоначальным значениям. Этот эффект позволяет продлить время достижения момента, когда показатели достигнут критического значения, то есть дороге потребуется ремонт. По нашим оценкам, технология позволяет увеличить данный период нормативного состояния асфальтобетона более чем в 2–2,5 раза.
– Россия – очень большая страна, территории которой находятся в различных климатических зонах (отличаются погода, грунты, интенсивность движения и другое). В связи с этим вопрос: где и в каких условиях лучше всего проявят себя самовосстанавливающиеся асфальтобетоны?
– Не хочется сейчас необоснованно как-то ограничивать применимость разработки, поскольку предстоящий этап внедрения как раз выявит наилучшие условия. Сами капсулы способны ликвидировать в асфальтобетоне часть дефектов и трещин, и мы считаем, что смеси с такими компонентами целесообразно использовать при устройстве верхних слоев одежды автомобильных дорог в условиях, которые провоцируют трещинообразование. Достаточно широкая формулировка, но это могут быть и северные территории, где при низких температурах асфальтобетон становится хрупким, и южные, где трещины образовываются по другим причинам, например, из-за старения вяжущего.
– Насколько сложен процесс производства самовосстанавливающихся асфальтобетонов, ведь не секрет, что подрядчики сами готовят смеси вблизи объектов строительства, ремонта или реконструкции.
– Мы достаточно давно занимаемся разработкой строительных материалов и понимаем, как важно, чтобы методика производства менялась в минимальной степени или вообще не менялась. Технология создания самовосстанавливающихся асфальтобетонов несложная и вполне может быть осуществлена на существующих асфальтобетонных заводах. Условно говоря, дополнительный компонент можно вводить в смесь как обычную добавку с помощью отдельного бункера с дозатором. Никакого специфического оборудования для этого не требуется.
Что касается самого синтеза капсул, то и он может быть организован с использованием отечественного оборудования. В своих исследованиях мы использовали компоненты российского производства, которые сегодня присутствуют на рынке.
Сегодня все участники рынка говорят о мартовском постановлении, согласно которому с января 2022 года BIM-модели станут обязательными для всех госстроек. Этого нововведения ждали давно, но ждали с опаской, потому что не было уверенности, что все участники рынка готовы к BIM, что готова нормативная база, что готовы госорганы. О том, как обстоят дела на самом деле и что еще предстоит сделать перед введением обязательного BIM, — в интервью с Анной Яковлевой, руководителем ГАУ города Москвы «Московская государственная экспертиза».
— Анна Игоревна, а по вашему мнению, рынок уже готов к полноценной работе с BIM?
— Крупные строительные компании и государственные структуры — да, потому что процесс изучения и апробации BIM был начат ими достаточно давно и необходимый опыт уже накоплен.
Средние и небольшие организации готовы чуть меньше, но не в последнюю очередь потому, что внедрения BIM от них не требовалось на государственном уровне. Ведь каждая организация принимает решение об освоении новых технологий, соотнося свои затраты и конечную выгоду. В случае, когда от наличия опыта работы с BIM не зависел успех в тендерных процедурах или выбор подрядчиков крупными девелоперами, закупка оборудования и обучение персонала были преимуществом только в отдаленной перспективе, которое окупилось бы совсем не сразу. Поэтому новое постановление способно радикально поменять ситуацию. Теперь позитивный эффект от внедрения технологий будет напрямую влиять на объемы работ. Это тот случай, когда принципиальное решение на федеральном уровне подстегивает рынок, мотивируя каждого его участника на развитие внутренней инфраструктуры и цифровизацию.
— В чем главный плюс внедрения BIM для госзаказчика?
— На сегодняшний день основное преимущество — это повышение качества проектных решений, в перспективе — контроль стоимости и сроков строительства.
Качество проектирования будет улучшено за счет того, что все участники процесса будут работать в единой модели, которая будет сразу же отмечать строительные коллизии — несостыковки в различных разделах проекта, которые часто выявляются на этапе экспертизы и требуют доработок. Кроме того, та же самая модель позволяет адекватно оценить объемы материалов и изделий, необходимых при реализации проектов. В конце концов все эти факторы позитивно влияют на время, затрачиваемое на строительство объекта.
— Ваше мнение: что позволяет BIM и не позволяют традиционные, привычные технологии?
— Быстро и эффективно снизить влияние человеческого фактора. Даже у самого высококлассного специалиста могут возникать незначительные, но требующие переделок нестыковки. А у целого коллектива их бывает еще больше. И это нормально. Но классические технические решения для проектной работы все равно полагаются на ручную перепроверку, перманентную коммуникацию в коллективе по самым несущественным вопросам. Это требует времени и не всегда исключает 100% недоработок. Машинный же метод, реализованный в BIM, позволяет снять эту рутину с проектировщиков и максимально эффективно устранить все мелкие ошибки.
— Как считаете, через какое время частные заказчики введут обязательный BIM? И какие заказчики на это могут пойти?
— Большинство ведущих застройщиков уже работают с BIM в той или иной мере. Остальные будут подтягиваться по мере того, как это будет становиться все более распространенной практикой. Думаю, что полный переход большинства заказчиков произойдет в ближайшие 7–10 лет. Все будет зависеть от уровня развития и финансовой устойчивости рынка. На внедрение BIM требуются ресурсы как финансовые, так и профессиональные, поэтому каждая компания будет исходить из своих возможностей.
— До января 2022 года остается девять месяцев. Расскажите, какие сложности еще нужно преодолеть, что еще усовершенствовать к полному переходу к BIM? Над чем сейчас работаете?
— Со своей стороны, мы делаем все, чтобы у московских госзаказчиков появилась возможность включать в госконтракты на выполнение проектных работ условия о необходимости разработки BIM-моделей. Отработка такого процесса уже сейчас идет в пилотном режиме по ряду бюджетных объектов. На сегодняшний день отработана процедура взаимодействия с такими заказчиками, загрузкой и проверкой BIM-моделей, подготовкой и выдачей соответствующих заключений.
Для «узаконивания» таких процедур необходимо утвердить ряд законодательных инициатив в Москве, над которыми мы сейчас работаем. Хорошим подспорьем в данной работе было бы установление на федеральном уровне особенностей применения BIM в столице. В таком случае у нас была бы возможность дальнейшего опережающего темпа внедрения технологии в нашей деятельности.
— Как готовилась Мосгосэкспертиза к обязательному BIM на бюджетных стройках? Проходили ли сотрудники переподготовку, получали допобразование в части информационного моделирования?
— Да, ведь мы работаем в этом направлении уже более семи лет. Еще в 2014 году мы провели обучение сотрудников работе с новыми технологиями, а также закупили необходимое оборудование и программное обеспечение для работы с BIM-моделями. На тот момент это было для нас естественным продолжением реализации поручения мэра Москвы С. С. Собянина о цифровизации своей деятельности и максимальном переводе работы в электронный вид. BIM был молодой и слабо изученной в нашей стране технологией, однако потенциал информационного моделирования был очевиден уже тогда.
Кроме того, специально созданный на базе Мосгосэкспертизы Проектный офис по внедрению BIM помог в обучении почти тысячи сотрудников столичного Стройкомплекса, разработал и утвердил требования к BIM-моделям и систему классификаторов для применения BIM-технологии по объектам непроизводственного назначения, разработал и утвердил методики расчета стоимости разработки BIM-модели объектов непроизводственного назначения и линейных объектов. Кроме того, специально для работы на этапе экспертизы мы разработали собственное программное обеспечение — систему экспертной оценки BIM-моделей. Оно было разработано и презентовано в 2019 году, и его функционал позволяет практически моментально проводить проверку на соответствие базовым формальным требованиям к предоставляемым BIM-моделям.
— Как в целом оцениваете качество сегодняшних BIM-моделей? Над усовершенствованием чего еще стоит поработать?
— Качество моделей на сегодняшний день адекватное, и оно постоянно растет вместе с компетенцией проектных организаций. Единственное, что сейчас еще требуется для их улучшения, — время, с которым придет и опыт. Мы помогаем своим партнерам в поиске информации, проводим обучение и необходимые им консультации, так что, я думаю, в ближайшем будущем качество моделирования будет только повышаться.
— В постановлении говорится, что формирование и ведение информационной модели объекта становятся обязательными для заказчика, застройщика, технического заказчика и эксплуатирующей организации. Насколько готова, продумана и отработана процедура передачи модели между участниками рынка на каждой из стадий? Есть ли успешные варианты реализации, на которые стоит опираться участникам рынка?
— С точки зрения московской экспертной организации, не совсем корректно говорить обо всех участниках рынка, ведь мы видим ограниченный промежуток жизненного цикла объекта. Со своей стороны мы обеспечили такой обмен посредством внутренней информационной системы, которая позволяет осуществлять взаимодействие с заказчиком исключительно в электронном виде посредством личного кабинета. То есть на этапе «проектирование-экспертиза» этот механизм нами отработан, и мы, в рамках информационного обмена с коллегами и партнерами, готовы делиться этим опытом.
Что касается других этапов жизненного цикла объекта, то некоторые наши заявители действительно после экспертизы передавали BIM-модель для доработки под рабочую документацию, а затем она была использована при строительстве. Думаю, можно с определенной уверенностью сказать, что лучше всего налажен обмен до этапа эксплуатации, на котором пока не у всех управляющих организаций есть релевантный опыт. Но как раз на этапе эксплуатации BIM способен радикально повысить удобство работы, поэтому, я думаю, его внедрение пройдет быстро и будет позитивно принято всеми.
— Во время переходного периода, когда BIM только изучали и приспосабливали к российским реалиям, не было нормативной базы на федеральном уровне, и каждый регион начинал работать в BIM так, как понимал это. И в тот момент остро стоял вопрос единообразия и общих подходов. На данный момент эту проблему удалось разрешить?
— Отчасти. В понимании сути BIM, безусловно, есть консенсус: информационный обмен между регионами, совместное участие в научных конференциях, освещение вопроса на федеральном уровне сделали свое дело, и сегодня в 90% случаев понимание BIM едино во всех регионах. Но что касается общности подходов — все-таки у каждого есть своя специфика по уровню цифровизации, оснащенности, количеству квалифицированных BIM-специалистов. И это нормально. В дальнейшем сотрудничество регионов выровняет и различия в подходах, позволит их естественным образом стандартизировать.
— За девять месяцев до января 2022 года стоит ли ожидать новых законодательных актов о BIM? Если да, то к чему стоит готовиться участникам рынка?
— Вопрос нормотворческой работы по этому направлению, разумеется, находится в ведении Минстроя России, и именно от федерального ведомства зависят все дальнейшие шаги по созданию законодательной базы применения BIM. По сути, все постановления, учитывающие переход к BIM-моделированию в Градостроительном кодексе РФ, уже утверждены, и единственные новые законодательные акты, которые еще можно ожидать в этом году, могут быть уточняющими для регионов с опережающим внедрением. Это как раз то, что так нужно Москве и другим регионам, освоившим BIM к настоящему моменту.