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.
В канун Дня энергетика о ситуации в отрасли, итогах развития в уходящем году и планах на год наступающий «Строительному Еженедельнику» рассказал председатель Комитета по энергетике и инженерному обеспечению Андрей Бондарчук.
— Андрей Сергеевич, с какими результатами энергетический комплекс города подходит к концу 2020 года? Удалось ли выполнить все запланированное? Насколько пандемия коронавируса повлияла на работу?
— В этом году общий объем инвестиций в инженерно-энергетический комплекс Петербурга превысил 70 млрд рублей, но лишь четверть из них — это бюджетные средства. Стараемся работать так, чтобы минимизировать нагрузку на городской бюджет, тратить средства максимально эффективно и экономно, вкладывая в действительно нужные городу проекты.
Пандемия коронавируса, конечно же, добавила определенные сложности нашей работе. Но, на мой взгляд, отрасль неплохо справилась с задачами, которые перед ней стояли. Особо отмечу проблемы с задержками поставок материалов и оборудования. В ряде регионов действовали более жесткие ограничения, чем в Петербурге, и работа некоторых производств была приостановлена. Подобную ситуацию мы, кстати, смоделировали на следующий год, и, чтобы избежать сбоев с поставками, отработали вопросы с производителями — на уровне переговоров или соглашений о намерениях обозначили требуемые нам объемы. Кроме того, нам пришлось существенно сократить сроки профилактических испытаний тепловых сетей, чтобы не производить отключений горячей воды в период локдауна весной и в начале лета, а температурные испытания, понимая возможные риски, и вовсе перенесли на осень. Да и в целом выделю общее усложнение производства работ из-за необходимости соблюдать требования, направленные на борьбу с распространением коронавируса.
Несмотря на эти сложности, весь комплекс мероприятий по подготовке города к зиме был выполнен успешно, при том что работы производились в полном объеме, без смягчения каких-либо требований.
— Какие основные мероприятия в сфере развития энергетики Петербурга удалось реализовать в этом году?
— В этом году на строительство, реконструкцию и капремонт тепловых сетей из всех источников финансирования (это и бюджет, и инвестпрограммы теплосетевых организаций) была направлена рекордная сумма — 13,4 млрд рублей. На эти средства было модернизировано 250 км теплосетей, что превышает объемы работ в предыдущие годы.
Значительная часть усилий была сосредоточена на объектах компании «Теплосеть Санкт-Петербурга», магистральные трубопроводы которой отличает наибольший уровень износа. Невзирая на сложности, связанные с коронавирусом, город изыскал ресурсы для увеличения бюджетного финансирования работ в этой сфере. Речь идет о реконструкции крупных тепломагистралей, от которых порой запитаны до 500 зданий, то есть это масштаб небольшого города, и аварии на которых чреваты самыми неприятными последствиями.
В этом году продолжалась реализация проектов по реконструкции тепломагистрали Пороховская в Невском районе, Рыбацкой магистрали и распределительной сети Турку во Фрунзенском районе, распредсети Замшина и Полюстровской тепломагистрали в Калининском районе. Велись работы и на множестве более мелких объектов. В целом надо отметить, что выделяемые последние два года дополнительные бюджетные средства позволили остановить продолжавшийся предыдущие годы рост доли теплосетей, выработавших свой ресурс.
— Как это отражается на жизни простых горожан? Стало ли меньше аварийных ситуаций на теплосетях?
— Проблема, безусловно, пока еще сохраняет актуальность. По итогам прошлого отопительного сезона в Петербурге произошло порядка 9 тыс. технологических нарушений на теплосетях. Основную их часть можно отнести к незначительным и незаметным для потребителя, но были и достаточно крупные. Положительный результат этой работы можно оценить статистически — в этом году с начала отопительного сезона мы наблюдаем снижение числа нарушений на сетях примерно на 19% по сравнению с аналогичным периодом 2019 года. Также снизился и масштаб нештатных ситуаций, то есть уменьшилось количество объектов, временно отключаемых от тепла.
Продолжается и работа по сокращению сроков устранения технологических нарушений. Средний показатель сейчас составляет около восьми часов, что заметно меньше, чем было раньше. Более того, этот срок год от года сохраняет тенденцию к снижению.
— Что сделано в этом году в других сферах инженерного и энергетического хозяйства Петербурга?
— Одного интервью точно не хватит, чтобы подробно рассказать обо всех работах, которые идут в городе. Могу лишь отметить, что ни одно направление не обойдено вниманием. Инженерные коммуникации модернизируются и развиваются во всех сферах.
Активно идут работы по развитию городской системы водоснабжения и водоотведения. Завершены строительно-монтажные работы на Охтинском тоннельном канализационном коллекторе. После переключения на него прямых выпусков существенно снизится загрязнение реки Охта, впадающей в Неву. Идет реконструкция крупнейших в городе очистных сооружений — Северной стации аэрации с увеличением ее производительности до 1 млн куб. м в сутки, что позволит активнее развивать территории на севере города и приграничных районах Ленобласти.
Запущены современные цифровые электроподстанции 110 кВ «Каменка» и 35 кВ «Ольгино», обеспечившие повышение надежности электроснабжения на севере Петербурга. До конца года планируется завершение еще ряда проектов, в том числе открытие подстанции 110 кВ «Карповская» в Петроградском районе. Освобождены значительные территории Приморского района от воздушных линий электропередачи — они переведены в подземное кабельное исполнение. Демонтированы линии на улицах Ильюшина, Шаврова, Стародеревенской, Яхтенной, Мебельной, Долгоозерной.
Введены в эксплуатацию две заправки компримированным природным газом на улице Салова во Фрунзенском районе и в Колпино.
Необходимо отметить, что свои плоды приносит и создание единого городского оператора в сфере наружного освещения, которым с прошлого года стало СПб ГБУ «Ленсвет». На его баланс были переданы сети и оборудование Колпинского, Пушкинского, Петродворцового и других удаленных от центра районов, причем в основном в неудовлетворительном состоянии. В результате программы замены устаревшего оборудования на светодиодные светильники в этом году город полностью отказался от использования экологически небезопасных и малоэффективных ртутных ламп (за два года из эксплуатации выведено около 16 тыс. единиц). Выполнение только этих работ уже в будущем году обеспечит экономию свыше 90 млн рублей. В целом же доля светодиодного освещения в Петербурге достигла 23% и продолжает расти.
— Какие основные задачи ставятся перед энергетиками города на будущий год?
— Объем финансирования энергетического и инженерного хозяйства Петербурга на будущий год останется примерно на уровне этого.
В сфере теплоснабжения мы по-прежнему будем сосредоточены на модернизации тепломагистралей в разных частях города. Суммарная длина обновленных сетей, как и в этом году, составит не менее 250 км. Продолжим реконструкцию изношенного теплосетевого хозяйства в Пушкинском и Колпинском районах (это, пожалуй, самые проблемные районы с этой точки зрения). Прорабатывается также возможность привлечения внебюджетного финансирования в этот проект, возможно, в рамках концессии.
Продолжится начатая в этом году модернизация крупнейшей теплоэлектроцентрали на юго-западе города — Автовской ТЭЦ. Работы позволят увеличить электрическую и тепловую мощность станции и повысить надежность энергоснабжения потребителей.
В 2021 году введем в эксплуатацию очистные водопроводные сооружения в Курортном районе. Пока водоснабжение там осуществляется с Северной водопроводной станции, расположенной достаточно далеко, и есть необходимость обеспечить эту локацию собственными источниками чистой воды.
Как я уже говорил, продолжим выводить из эксплуатации устаревшее и малоэффективное оборудование наружного освещения. На 2021 год намечена замена 25 тыс. натриевых светильников на светодиодные. Эти планы уже подтверждены финансированием. Примерно такой же объем хотим заменить за счет привлечения внешнего инвестора. Полный переход города на светодиодное освещение планируем завершить в 2024–2025 годах.
— Действительно, повышение энергоэффективности, а также развитие энергосберегающих технологий входят в число стратегических задач, которые ставятся на общенациональном уровне. Что еще в Петербурге делается в этой сфере?
— Напомню, что Петербург уже несколько лет занимает первую сточку в рейтинге энергоэффективности регионов России. Этот результат достигнут за счет реализации комплексной программы в этой сфере. Например, в этом году в денежном эквиваленте экономия от ее реализации только по теплу достигла показателя 1,2 млрд рублей.
При этом мы видим, что потенциал для дальнейшей работы в этой сфере — просто огромный. В частности, большие перспективы за практикой заключения энергосервисных контрактов. Это схема, в рамках которой инвестор осуществляет реконструкцию инженерных систем, а затем возвращает затраченные средства с долей прибыли за счет экономии потребления ресурсов.
За последние два года благодаря энергосервису удалось привлечь более 450 млн рублей внебюджетных средств на модернизацию внутренних систем тепло- и электроснабжения городских объектов. Такие проекты реализуются практически во всех районах города.
— Научно-технический прогресс не стоит на месте, появляются все новые технологии, цифровизация стала глобальным трендом. Какие новации запускают в работу петербургские энергетики?
— Это действительно очень актуальный вопрос, и проиллюстрировать это можно на примере тех же стальных труб, которые используются при реконструкции и ремонте теплосетей. Их штатный срок эксплуатации составляет 25 лет. То есть каждые четверть века нужно полностью менять все городские сети. Общая длина тепловых коммуникаций в Петербурге такова, что для этого в год надо обновлять до 400 км сетей. Мы же сейчас, даже получив дополнительное финансирование, сумели выйти на показатель 250 км. Из этой ситуации ясно видно, насколько актуальным является вопрос инноваций, которые обеспечили бы повышение штатного, а главное — безаварийного срока эксплуатации труб, скажем, до 50 лет.
И это только один пример. Поэтому мы очень активно ищем и апробируем различные современные материалы и технологии для всех сфер городского хозяйства. Если говорить о теплосетях, работа идет по двум направлениям — обеспечение более качественной диагностики и увеличение срока эксплуатации. По первому из них мы используем, например, роботизированные комплексы для дистанционной внутритрубной диагностики. Также ведется мониторинг трубопроводов с применением акустических датчиков. Осуществляется тепловая аэрофотосьемка теплосетей с применением дронов. По второму направлению используем различные варианты антикоррозийного покрытия, экспериментируем с изделиями из композитов — коррозионностойкими трубопроводами из неметаллических материалов для теплосетей различных диаметров, включая трубы из стеклопластиков и стеклобазальтопластиков. Очень много инноваций пробуем также на сетях водоснабжения и водоотведения.
Кроме того, внедряем современные технологии по автоматизации и цифровизации процессов. Это обеспечивает работу многих производственных объектов, например, котельных или электроподстанций, без присутствия обслуживающего персонала. Оперативные данные выводятся на единый пульт центра контроля, и операторы подключаются к работе только в случае возникновения нештатных ситуаций.
Используем и BIM-технологии при проектировании объектов из разных сфер. Сейчас, например, в работе проекты по реконструкция очистных сооружений в Зеленогорске, котельной на Грузинской улице, теплосетей по территории Авиагородка, тепловых сетей 8-й Выборгской котельной, а также строительство Софийской тепломагистрали. Создание цифровых моделей этих объектов позволит использовать их в будущем с небольшими изменениями при реализации подобных проектов.
— Это интервью приурочено ко Дню энергетика. Что бы вы хотели пожелать специалистам отрасли в канун профессионального праздника?
— Энергетика — это одна из крупнейших отраслей городского хозяйства, только в ресурсоснабжающих организациях занято более 45 тыс. человек. Это настоящие профессионалы, которые своим ежедневным трудом обеспечивают жизнедеятельность такого сложного организма, как наш мегаполис. Даже свой праздник они встречают на рабочем месте, поскольку наша сфера требует постоянного неослабевающего внимания. Всех коллег хочу поздравить с Днем энергетика, а также приближающимися Новом годом и Рождеством Христовым и пожелать крепкого здоровья и успехов в профессиональной деятельности!