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.
Текущая работа по строительству и содержанию федеральных трасс регионов Северо-Западного федерального округа, влияние на нее распространения коронавирусной инфекции, новые планы в этой сфере, а также внедрение современных технологий. Эти темы стали основными в интервью «Строительного Еженедельника» с начальником ФКУ Упрдор «Северо-Запад» Дмитрием Кузнецовым, приуроченном ко Дню работника дорожного хозяйства.
— Дмитрий Павлович, каковы размеры финансирования ФКУ Упрдор «Северо-Запад» (на этот год? Повлияла ли на его деятельность пандемия коронавируса, пришлось ли сократить расходы и объемы работ?
— Дороги, закрепленные за ФКУ Упрдор «Северо-Запад» (далее — Управление), находятся на территориях четырех субъектов РФ Северо-Западного федерального округа — Санкт-Петербурга, Ленинградской, Псковской и Калининградской областей. Общая их протяженность на сегодняшний день составляет свыше 3 тыс. км. В текущем году на строительство и реконструкцию трасс в нашей зоне ответственности из федерального бюджета было выделено 23,8 млрд рублей, на ремонт и капитальный ремонт — 15,2 млрд, еще 12 млрд — на работы по содержанию федеральных магистралей.
Действительно, распространение новой коронавирусной инфекции стало беспрецедентным масштабным вызовом для мировой и российской экономики. Но я хочу подчеркнуть, что мы попросту не имели права остановить свою работу ни на день. Одной из ключевых задач нашего Управления, подрядных организаций, с которыми заключены государственные контракты, остается содержание федеральных трасс, ежедневное обеспечение беспрерывного и безопасного движения по ним. Весь огромный объем работ по расчистке снега, противогололедной обработке в зимний период, оперативной ликвидации последствий ДТП выполнялся своевременно. Не нужно быть специалистом, чтобы понять, что остановка этой ежедневной работы может иметь самые тяжелые последствия.
Если же говорить о наших объектах — стройке, реконструкции, ремонте, все графики также соблюдены. Руководство подрядных организаций, понимая серьезность ситуации, принимало все меры для того, чтобы не допустить распространения коронавируса. Я думаю, развитие транспортного строительства во всех субъектах РФ, не только у нас, остается одной из важных антикризисных мер, которая позволяет сохранить занятость людей и обеспечить оплату их труда. Поэтому работы на федеральных трассах не останавливались.
— Расскажите, пожалуйста, о наиболее крупных и интересных проектах, которые курирует Управление в Петербурге и Ленобласти.
— Пожалуй, самый масштабный проект, который сегодня находится в работе, — это реконструкция федеральной трассы А-181 «Скандинавия». В 2019 году мы открыли движение по шести полосам до поселка Огоньки — на 65-м км дороги. В этом году по обновленной трассе можно будет проехаться уже до поворота к поселку Цвелодубово — на 80-м км дороге. В целом строительно-монтажные работы у нас развернуты до начала обхода Выборга. Контракт на реконструкцию участка со 122-го по 134-й км мы заключили в конце августа. Подготовка территории — расчистка полосы отвода, переустройство коммуникаций — ведется на всем протяжении отрезка. Завершится реконструкция на этих участках до конца 2024 года. Дальше — обход Выборга и участок до границы с Финляндией (203 км) — планируем реконструировать до 2030 года. Проектная документация уже получила положительное заключение Главгосэкспертизы. К работам приступим после поступления финансирования.
В этом году закончим реконструкцию участков общей протяженностью 15 км федеральной трассы Р-21 «Кола» в Кировском районе Ленобласти. Невведенным здесь у нас останется участок протяженностью всего 900 м. Дело в том, что там проходят четыре нитки газопроводов «Грязовец — Ленинград» и «Грязовец — Выборг». Их владелец выдал новые технические условия на переустройство трубопроводов. Это потребовало внесения изменений в проектную документацию по объекту и нового прохождения Главгосэкспертизы. Поэтому оставшиеся 0,9 км планируется ввести в 2023 году.
В планах из крупных проектов — продолжение реконструкции трассы Р-23 (Киевское шоссе) от Больших Колпан до Рождествено. Новая дорога пойдет в обход нескольких населенных пунктов.
К слову, за год с момента ввода в строй обхода Гатчины на этой дороге трафик вырос в полтора раза. А на старом направлении трассы, идущем через Гатчину, поток, наоборот, значительно уменьшился. Для сравнения: в августе 2017 года в Зайцево на 32-м км дороги в среднем в сутки проезжало 45 189 автомобилей. В августе 2021 года эта цифра здесь же составила 18 067 машин. А это значит, что в населенных пунктах, через которые раньше ехал весь транспорт, улучшилась экологическая обстановка, снизился уровень шума от проезжающих автомобилей, повысился уровень безопасности. Шестиполосный обход Гатчины востребован, дорогой активно пользуются и жители Петербурга и Ленобласти, а также транзитный транспорт.
Еще один проект, который в скором времени планируется направить в Главгосэкспертизу, — устройство направленных съездов в районе ТЦ «МЕГА Парнас». Съезды позволят перенаправить потоки транспорта на пересечении трассы «Сортавала», КАД и проспекта Энгельса и таким образом ликвидировать заторы в этом узле. Сроки реализации проекта пока не определены, надеемся, что это произойдет в ближайшей перспективе.
— Какие крупномасштабные проекты ФКУ Упрдор «Северо-Запад» реализует в других регионах СЗФО?
— Этой весной мы начали подготовку территории под строительство в Калининградской области трассы А-217 «Приморское полукольцо» на участке от подъезда к городу Светлогорск до автомобильной дороги Переславское — Круглово. До конца 2023 года подрядчик выполнит переустройство инженерных коммуникаций, расчистит полосу отвода от леса, проведет обследование и очистку территории от взрывоопасных предметов.
Кроме того, с начала августа здесь ведутся археологические работы по сохранению объектов культурного наследия. При проведении изысканий уже обнаружен некрополь с захоронениями III — VII веков. Найдены многочисленные предметы из бронзы, серебра — фибулы, подвески к рукоятям кинжалов, янтарные бусины, предметы вооружения, римские монеты, керамические сосуды. Самой удивительной находкой стали стеклянные фишки, используемые для игры «лудус латрункулорум». Эта древнеримская игра была популярна в I — IV веках нашей эры. Подобная находка сделана в регионе впервые за 170 лет. Археологические изыскания продлятся не менее шести месяцев. Все находки будут собраны и рассортированы. После камеральной обработки часть находок будет отреставрирована и все артефакты передадут в государственные музеи.
Непосредственно к строительству дороги планируется приступить в ближайшие несколько лет.
— Сформированы ли планы у Управления на 2022 год? Будут ли начаты новые интересные проекты?
— В следующем году мы продолжим реконструкцию «Скандинавии». Пока это наш основной объект. Также на сегодняшний день практически сформирована программа ремонта. Во всех субъектах планируем отремонтировать в общей сложности 487 км дорог, в том числе почти 200 км в Петербурге и Ленобласти. Еще до конца этого года мы собираемся провести торги и приступить к капитальному ремонту в Ленинградской и Псковской областях участка 157–178-го км федеральный трассы Р-23, которая идет через Псков к границе с Белоруссией. Здесь будет выполнено расширение с двух до четырех полос. Дорога сейчас достаточно загружена, растет поток транзита, летом трафик увеличивается за счет дачников. Поэтому принято решение, которое позволит нам увеличить пропускную способность этой трассы.
Также в следующем году у нас продолжится капитальный ремонт обхода Пикалево, трассы М-10 в Тосненском районе Ленобласти, участка дороги Р-23 в Псковской области, ремонт трассы «Кола» на границе с Карелией.
— Президент Владимир Путин вновь актуализировал вопрос о строительстве КАД-2. Один из существующих вариантов трассировки предполагает использование т. н. бетонки, переданной в ведение ФКУ. На ваш взгляд, реально ли использовать бетонку для этих целей или целесообразнее строить совершенно новую трассу?
— Такие решения должны приниматься максимально взвешенно, с учетом очень многих факторов, на основании расчетов и анализа распределения транспортных потоков, перспективной жилой застройки территорий, планируемых инвестиционных проектов, развития промышленных зон и т. д. В настоящее время проработкой трассировки будущей магистрали, вопросами проектирования занимается Госкомпания «Автодор». Мы со своей стороны готовы оказать любую профессиональную помощь и принять участие в этой работе. Говорить о том, стоит ли использовать полукольца или строить новую дорогу, я думаю, можно будет как раз после сбора и анализа всех данных.
— Среди актуальных задач, которые ставятся на государственном уровне буквально перед всеми отраслями, — использование новейших материалов и технологий, а также максимальная цифровизация всех процессов. Что в этой сфере делается в ФКУ Упрдор «Северо-Запад»?
— Сегодня в отрасли идет активное обсуждение внедрения технологий информационного моделирования (ТИМ) при разработке проектной документации по объектам строительства, реконструкции и капитального ремонта дорог. Данная технология позволяет моделировать любые строительные объекты, включая здания, железные дороги, мосты, тоннели, автомобильные трассы и т. д. Она включает в себя сбор и обработку данных об архитектурно-планировочных, конструктивных, экономических, технологических, эксплуатационных характеристиках объекта, объединенных в едином информационном поле — среде общих данных. Данные, включаемые в информационную модель объекта, будут отражать не только развитие объекта на стадии проектирования, но и на всем протяжении его жизненного цикла, включая изменения после выполнения работ по содержанию, ремонту и дальнейшей реконструкции. Поэтому применение ТИМ позволит представить любое сооружение как «живой» информационный объект, со временем изменяющийся. К разработке проектной документации с применением технологий информационного моделирования, согласно Постановлению Правительства РФ № 331, необходимо приступить уже с 1 января 2022 года.
Однако на сегодняшний день не решен ряд важных вопросов. В частности, для внедрения ТИМ необходимо внести изменения в существующие нормативно-технические документы и нормативные правовые акты, определить перечень программного обеспечения, которое будет использоваться при разработке проектной документации, провести обучение действующих сотрудников и создать необходимую материально-техническую основу для внедрения и использования ТИМ. На данный момент обсуждение технологий информационного моделирования в профессиональном сообществе продолжается, в нем принимают участие и специалисты нашего Управления.