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.
О развитии сети федеральных дорог в СЗФО, приоритетах развития, реализации крупных проектов и новых технологиях, применяемых в дорожном строительстве, «Строительному Еженедельнику» рассказал начальник ФКУ Управление федеральных автомобильных дорог «Северо-Запад» Дмитрий Кузнецов.
– Дмитрий Павлович, расскажите, пожалуйста, о наиболее крупных и интересных проектах, которые курирует ФКУ Упрдор «Северо-Запад» в Ленобласти.
– Санкт-Петербург является вторым по числу жителей городом России. Развитие экономики, привлечение инвестиций, реализация различных крупных, определяющих перспективное развитие субъекта РФ проектов – требуют соответствующей инфраструктуры. Кроме того, темпы автомобилизации населения в последние несколько лет не только не снижаются, но продолжают уверенно расти. Среднесуточная совокупная интенсивность движения на выездах из Петербурга в июне 2018 года составляла более 120 тыс. машин в сутки (для сравнения: во Пскове, например, всего около 240 тыс. жителей). На КАД Петербурга трафик местами давно превышает 200 тыс. машин в сутки. Именно поэтому сегодня нашими приоритетными задачами являются реконструкция и обустройство всех вылетных магистралей на подходах к Петербургу и расширение последнего четырехполосного участка Кольцевой. Вылетные магистрали – это транспортные артерии, соединяющие город не только с областью, это одновременно дороги, берущие на себя огромную часть транзитного трафика, пути к портам и государственной границе.
В Ленобласти ФКУ Упрдор «Северо-Запад» сейчас выполняет реконструкцию и строительство сразу нескольких объектов, включенных в Комплексный план модернизации и расширения магистральной инфраструктуры на период до 2024 года. В рамках федерального проекта «Морские порты России» – транспортной части Комплексного плана – мы реконструируем участки дорог А-181 «Скандинавия» и Р-21 «Кола», которые являются подходами к крупнейшим морским портам Выборг и Петербург. Первый реконструированный участок дороги «Скандинавия», от пересечения федеральной трассы с региональной дорогой «Парголово – Огоньки» до поселка Огоньки, был введен на год с опережением срока – в декабре 2018 года. На сегодняшний день мы провели конкурсные процедуры и выбрали подрядную организацию, которая займется реконструкцией участков с 65-го по 100-й и с 100-го по 134-й километр – от Огоньков до начала обхода Выборга.
К реконструкции 17-километрового участка автодороги Р-21 «Кола» от пос. Синявино до пос. Путилово мы приступили летом 2018 года. Это еще одна дорога, соединяющая Россию со странами Северной Европы. Трафик здесь стабильно растет, в том числе за счет транзитного транспорта, перевозящего грузы в Мурманский порт. Расширение дороги с двух до четырех полос за счет строительства обособленной проезжей части по направлению к границе Ленобласти позволит увеличить пропускную способность участка, по которому сегодня в летние месяцы проезжает более 80 тыс. автомобилей в сутки, сократить транспортные заторы и количество дорожно-транспортных происшествий. Реконструкцию участка планируем завершить в 2021 году.
Также в Комплексный план на территории области включены участки автодорог Р-23 и А-180 «Нарва». На дороге Р-23 мы продолжаем реконструкцию обхода Гатчины. Первый этап работ на этом объекте завершился в 2017 году, сейчас реконструируем существующий участок дороги до дер. Большие Колпаны, расширяем его с двух до шести полос. Данный участок до реконструкции являлся узким местом и работал в режиме перегрузки. Сегодня в пиковые дни здесь проезжает 60-80 тыс. машин в сутки. Реконструкция позволит кратно увеличить пропускную способность участка, а значит сократить временные затраты автомобилистов, повысить комфорт и безопасность.
Еще один значимый и для жителей проект – реконструкция северного участка Кольцевой автомобильной дороги вокруг Санкт-Петербурга (А-118). За 2018 год был модернизирован участок от съезда на ЗСД до съезда к Выборгскому шоссе. Проезжая часть здесь расширена до шести полос. В этом году работы выполняются на участке КАД от Выборгского шоссе до проспекта Энгельса.
Безусловно, реконструкция и строительство не являются нашими единственными задачами. Наша работа включает и ремонт, и содержание, и обустройство, напрямую влияющие на показатели безопасности дорожного движения. На сегодняшний день в Ленобласти протяженность действующих линий освещения составляет 291,11 км, на КАД – 222,793 км. Освещение имеется в 72 населенных пунктах, через которые проходят федеральные трассы. В этом году вводим в строй еще 61,4 км линий освещения, в следующем году только в рамках обустройства – почти 80 км.
– Ранее сообщалось, что очередной этап расширения Киевского шоссе будет введен досрочно – осенью 2019 года. Как идут работы на объекте? Когда он будет сдан?
– Первый этап работ на этом объекте мы завершили на год раньше запланированного срока. Уверен, это значительно улучшило транспортную ситуацию в районе Гатчины, уменьшило заторы, повысило уровень безопасности участников движения за счет разделения встречных потоков, вывода основной части транспорта за пределы населенных пунктов Зайцево, Ижора, Большое Верево, Малое Верево и Вайя. Уже введенный 12-километровый участок – это полностью новое строительство. То есть нам не приходилось вводить какие-то ограничения, переключать транспортные потоки в период работ. Сейчас мы работаем на существующем участке под движением. То есть перекрыть дорогу мы не можем, в связи с чем перед выходными и после них здесь, конечно, не избежать затруднений. Проект предусматривает перенос большого количества коммуникаций, переустройство различных сетей, а это существенные временные затраты. В силу объективных причин ввод состоится согласно сроку, установленному государственным контрактом, – в 2020 году. Никакого отставания от графика нет.
В целом на участке на сегодняшний день выполнено уже порядка 80% работ. Полностью завершены устройство выемки и земполотна, укрепление русел и откосов насыпи геотекстилем и габионами, переустройство линий связи, сетей водопровода. Завершается переустройство линий электропередач и укладка водопропускных труб по основному ходу дороги, на развязках, пересечениях и примыканиях, строительство систем водоотведения – устройство водосбросов, водоотводных канав, смотровых колодцев, монтаж локальных очистных сооружений. На 75% выполнены работы на искусственных сооружениях: путепроводах через железную дорогу, развязках на пересечении дороги Р-23 с федеральной трассой А-120 «Санкт-Петербургское южное полукольцо».
– Какие еще объекты намечены ко вводу в ближайшее время?
– До конца этого года мы введем в эксплуатацию участок дороги А-121 «Сортавала» со 131-го по 153-й километр – на границе с Карелией. Благодаря реконструкции мы уже ликвидировали имеющийся здесь 5-километровый грунтовый отрезок, доставлявший немало неудобств нашим автомобилистам в период весенней и осенней распутицы.
Отмечу, что в июле этого года в Ленобласти мы ввели в эксплуатацию новый путепровод на Петербургском южном полукольце, в районе станции Мга. Старое сооружение уже не справлялось с существующими нагрузками, в результате нам пришлось ограничить здесь движение грузовых автомобилей. Теперь все ограничения на данном участке сняты. А это позволяет обеспечить беспрепятственный транзит грузов по трассе, соединяющей федеральные дороги А-180 «Нарва», М-10 «Россия», Р-23 «Петербург – Псков – Пустошка – Невель – граница с Республикой Беларусь», Р-21 «Кола» в обход Петербурга.
– Какие планы у Управления на 2020 год? Будут ли начаты новые крупные проекты?
– В следующем году мы продолжим работы на уже названных мною объектах. Все они имеют огромное значение не только для жителей города и области, но и в целом для СЗФО. В 2020 году мы планируем завершить работы на северном участке кольцевой магистрали, обходе Гатчины. Продолжим реконструкцию дороги Р-21 «Кола» в Кировском районе области, развернем основные строительно-монтажные работы на участке трассы «Скандинавия», от Кирпичного до начала обхода Выборга.
Протяженность федеральных дорог в Ленобласти постоянно увеличивается за счет переданных региональных трасс. С 2014 года нам передано почти 392 км. Год назад федеральной стала автодорога «Магистральная» (ее еще называют Северное полукольцо), в этом году – трасса А-215 «Лодейное Поле – Вытегра» «Прокшино – Плесецк – Брин-Наволок». Обе дороги находятся в неудовлетворительном состоянии. Ликвидация многочисленных дефектов покрытия в рамках содержания – ям, выбоин, трещин – лишь часть предстоящей нам большой работы. На дороге А-215 имеется участок с грунтовым покрытием.
В связи с увеличением общей протяженности дорог получается, что у нас снижается общий показатель трасс, находящихся в нормативном состоянии. По Ленобласти после передачи дороги А-215 к концу года он составит 80,1%. Поэтому приведение переданных нам дорог к нормативу путем капитального и текущего ремонта, реконструкции сейчас является одной из ключевых задач.
– Расскажите, пожалуйста, о перспективах «бетонки», переданной в федеральное подчинение? Планируется ли на ее основе строить КАД-2 Петербурга?
– Начну с того, что речь о строительстве КАД-2 главным образом ведут СМИ как раз после передачи дороги «Магистральная» в федеральную собственность в 2018 году. Некорректно называть Северное и Южное полукольца второй Кольцевой, и не стоит вводить жителей в заблуждение. Никаких решений о реализации такого проекта на сегодняшний день не принято. Если мы говорим про второй кольцевой маршрут, это означает, что он должен проходить и через Невскую губу, чтобы замкнуться. Строительство моста или тоннеля на этом участке сейчас не обсуждается. Дело в том, что у Южного и Северного полуколец другая функция. Это дороги, которые соединяют все федеральные трассы, ведущие к Петербургу – дороги «Скандинавия», «Сортавала», «Нарва», Р-21, Р-23, М-10. А это значит, что на них уйдет как раз весь транзитный трафик, все большегрузы, которые не заезжая в Петербург, съезжая на полукольца огибают город, не загружая местную улично-дорожную сеть и КАД.
Для того, чтобы А-120 «Санкт-Петербургское южное полукольцо» и «Магистральная» были востребованы как раз у транзитного транспорта, мы и приводим их в нормативное состояние. В 2013 году выполнен капитальный ремонт автомобильной дороги А-120 на участке с 18-го по 21-й километр, в 2015 году – на участке с 107-го по 149-й километр, в 2016 году – на участке с нулевого по 18-й километр. В этом году завершены работы по капремонту на участке с 21-го по 35-й километр. Также на сегодняшний день разработана проектная документация для реконструкции участка с 64-го по 106-й километр – это 42-километровый участок между трассами Р-23 и М-10 «Россия». Строительно-монтажные работы планируется начать в 2020 году и завершить в 2025 году.
– Применяются ли при ремонте и строительстве федеральных трасс какие-то инновационные технологии?
– Мы, безусловно, стараемся следовать современным веяниям в дорожном строительстве и своевременно внедрять новые технологии и материалы на стадии проектирования и при производстве работ.
Выполнение работ по устройству земляного полотна и конструктивных слоев дорожной одежды, с применением технологии 3D, автоматизированной системы управления строительной техники, на основе цифровой модели местности с использованием электронных следящих систем, позволяет добиться выверенной по своим геометрическим параметрам поверхности, минимизировать перерасход материала и обеспечить полное соответствие проектным данным.
Увеличение межремонтных сроков по капитальным ремонтам до 24 лет, по ремонтам – до 12 лет, обязывает нас применять материалы и технологии, которые позволят их обеспечить. На наших объектах мы используем такие технологии как устройство верхнего слоя покрытия из щебеночно-мастичных асфальтобетонов. Среди разновидностей асфальтовых покрытий его отличают повышенные показатели упругости, водостойкости и сдвигоустойчивости. Использованные при изготовлении материала стабилизирующие компоненты делают покрытие шероховатым и стойким к расслаиванию. Состав асфальтобетонных смесей на ряде дорог подбирается нами по системе объемно-функционального проектирования. Ее отличительная черта в том, что при назначении типа асфальтобетонной смеси и выборе компонентов для ее состава – минеральных материалов и битумного вяжущего – учитывается климатический район расположения автомобильной дороги и уровень эксплуатационной транспортной нагрузки на конкретном ее участке, а не категория дороги в целом, как это было раньше.
С 2014 года на автомобильных дорогах Северо-Запада на небольших экспериментальных участках проходило тестирование запроектированных по такой методике асфальтобетонных покрытий. Производители битумных вяжущих разработали новые составы полимерно-битумных вяжущих, учитывающие климат региона. Эксплуатационные характеристики экспериментальных участков, их устойчивость к колееобразованию и трещиностойкость оказались выше, чем у дорог, где использовалась традиционная технология.
В 2018 году смеси из щебеночно-мастичного асфальтобетона, подобранного по системе объемно-функционального проектирования, успешно прошли промышленное внедрение на Кольцевой автомобильной дороге вокруг Санкт-Петербурга. С нынешнего сезона все проектные решения для асфальтобетонных покрытий на федеральных дорогах Северо-Запада разрабатываются в соответствии с требованиями вступивших в действие новых национальных стандартов.
Добавлю, что в 2015 году для внедрения метода объемного проектирования на федеральных дорогах в Управлении была создана испытательная лаборатория. Сегодня в ней активно проводятся испытания асфальтобетонных смесей и органических вяжущих для дорожного хозяйства. У нас в арсенале представлено самое современное оборудование, среди которого приборы для определения динамического модуля упругости, усталостных и низкотемпературных характеристик асфальтобетона, его устойчивости к истиранию шипованными шинами. Это позволяет нам прогнозировать работу материалов в покрытии. К применению на объектах мы выбираем составы асфальтобетонных смесей, которые при испытаниях показали наибольшую устойчивость к воздействию воды и минимальное колееобразование.