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.
Активизация дорожно-транспортного строительства, появление новых магистралей, развязок и путепроводов обострили проблему шумового загрязнения окружающей среды. О том, чем оно опасно, а также о современных конструкциях, используемых при создании систем шумозащиты, «Строительному Еженедельнику» рассказал директор по развитию компании «Акустические дорожные конструкции» (АДК) Петр Федоров.
— Раньше особого внимания шуму на улице не уделяли. Но чем дальше, тем более острой становится эта проблема. В чем дело? Чем опасен шум?
— Актуальность вопроса растет по мере увеличения техногенного влияния человека на окружающую среду. В России все большее внимание уделяется созданию современной инфраструктуры, а значит, все активнее реализуются крупномасштабные транспортные проекты. Шумовое загрязнение при этом происходит не только во время работ (их срок все-таки ограничен), но и в процессе эксплуатации дорог, развязок, путепроводов. Чем крупней магистраль — тем выше трафик и тем больше уровень постоянного шума.
Поэтому сегодня он рассматривается в качестве одного из факторов экологического загрязнения окружающей среды. На изучение этого вопроса Всемирная организация здравоохранения потратила около десяти лет. В результате в 2011 году был опубликован доклад под названием «Бремя болезней, обусловленное шумом как фактором окружающей среды». В документе говорится о проблеме негативного воздействия шума на здоровье человека, а именно о нарушениях сердечно-сосудистой системы, когнитивной функции, нервной системы человека и пр. В частности, шум — один из главных виновников наших стрессов, нарушения сна, раздражительности, хронической общей усталости и др.
— Что можно сделать, чтобы уменьшить вредное воздействие шума на человека?
— В течение длительного времени были накоплены статистические данные об опасном и безопасном воздействии шума на человека. Эти материалы легли в основу нормативных документов, регламентирующих величину шума для разных условий жизнедеятельности человека. Этот документ называется Свод правил «Защита от шума».
По действующим санитарным нормам допустимым уровнем шума считается звук, который при длительном воздействии на слуховой аппарат не превышает 55 дБА в светлое время суток (с 07.00 до 23.00) и 45 дБА ночью (с 23:00 до 07:00). Для сравнения: уровень шума леса составляет 10 дБА, работающего компьютера — 20 дБА, интенсивного автодорожного движения в час пик — 80 дБА, железнодорожного транспорта — 90 дБА, действующей строительной техники — до 110 дБА.
Очевидно, что строительные, промышленные, транспортные объекты формируют шумовые нагрузки, далеко превосходящие нормативные значения. А значит, хотя бы при возведении новых таких объектов необходимо обеспечить проведение мероприятий по шумозащите, основным из которых является установка специальных шумозащитных экранов.
Разумеется, если появился спрос и заказ на решения по защите от шума, то появилось и соответствующее предложение. Современный рынок шумозащитных экранов — это самое, пожалуй, молодое направление в области формирования дополнительных дорожных инфраструктур. Динамичное развитие автомобильных и железнодорожных транспортных потоков, строительства промышленных предприятий делает спрос на технические решения в этой сфере все более высоким. Несильно ошибусь, если оценю потребность в шумозащитных автодорожных конструкциях на сегодняшний день на уровне не менее 600–700 тыс кв. м в год.
— В чем специфические особенности тех конструкций, которые предлагает на рынке АДК?
— Технические решения по шумозащите, которые применяются на нашем предприятии, основаны на базе строительных сэндвич-панелей. Сотрудники АДК стояли у истоков создания первых акустических сэндвич-панелей в России и фактически заложили конструктивные и потребительские требования к этой продукции.
Установленное на предприятии автоматизированное оборудование позволяет производить акустические панели толщиной от 60 до 200 мм со стабильным качеством и высокими параметрами по звукоизоляции и звукопоглощению. Так, звукоизоляция панелей АДК по лабораторному тесту составляет 35–36 дБ, это на уровне эксплуатационных параметров аналогичных конструкций ведущих европейских изготовителей. Наша продукция сертифицирована на соответствие действующим российским нормативным требованиям.
Шумозащитные экраны — это конструкции с длительным сроком эксплуатации (в течение 10–15 лет), поэтому мы самым тщательным образом подходим к выбору комплектующих элементов, применяемых в наших системах.
Мы используем перфорированный металл на основе стального подката с высокими прочностными свойствами. Антикоррозийный слой цинка — не ниже I класса цинкования. В качестве перфорированных стенок панелей могут применяться нержавеющая сталь и алюминиевые сплавы, которые создают надежную и длительную антикоррозийную защиту. Внешняя поверхность металлических стенок панелей имеет защитное лакокрасочное покрытие, наносимое на современных металлургических комбинатах по сложной технологии. Такая технология позволяет получать многослойное полимерное цветное покрытие с высокой степенью укрывистости и отсутствием пор. В результате оно может эффективно противостоять агрессивным дорожным химическим реагентам.
В качестве внутреннего наполнителя используется негорючий поглотитель на основе базальтовой минеральной ваты высокой плотности и дополнительной способностью противостоять водопоглощению из окружающей среды при помощи специализированных добавок. Этот материал обладает большим пределом прочности при сжатии, что обуславливает значительные изгибающие прочностные характеристики панелей в процессе эксплуатации.
Промышленный эластичный клеевой многокомпонентный состав с требуемыми адгезионными параметрами позволяет соединить составные элементы в единую монолитную и прочную акустическую конструкцию.
— Что ваше предприятие еще предлагает рынку?
— Следует отметить, что шумозащитные экраны — это не только звукоотражающие и звукопоглощающие перфорированные панели. Это также светопрозрачные конструкции, разработанные на основе силовых каркасов из алюминиевых сплавов и светопрозрачных стеклоэлементов. Эти панели изготавливаются длиной до 6 м, монтажной высотой 0,5–2 м. Толщина стеклоэлемента 10–12 мм позволяет достигать звукоизоляцию прозрачных конструкций в диапазоне 32-34 дБ. Собранный из таких панелей звукоотражающий экран смотрится ажурно и воздушно. Светопрозрачные системы поставляются на строительный объект в полной заводской готовности. Все, что требуется от специалистов по монтажу, — достать панели из транспортного пакета и установить в проектное положение между стоек экрана. И все. Никаких дополнительных сборочных и крепежных работ.
Технология изготовления перфорированных и светопрозрачных панелей позволяет производить продукцию длиной от 1 до 6 м с шагом 10 мм. Таким образом, есть возможность создания индивидуальных строительных размеров. Это очень удобно потребителям, т. к. позволяет учитывать особенности расположения несущих конструкций и производить монтаж с минимальными трудозатратами и потерями.
— Что вы скажете о таком немаловажном факторе, как цена?
— Это действительно один из ключевых моментов, на который обращает внимание потребитель. В течение 2021 года комплектующие материалы росли в цене фактически ежемесячно. Но мы прекрасно понимаем, что строительный процесс продолжается, надо выполнять свои договорные обязательства. Главное — не останавливаться, контролировать ценовую ситуацию на рынке, находить решения уменьшения издержек производства, обосновывать актуальность применяемых материалов и продолжать работать. Поэтому наши цены демократичны и доступны для покупателей.
— Занимаетесь ли вы техническим совершенствованием своей продукции?
— Рынок шумозащитных систем развивается, повышаются требования к конструкциям, условиям эксплуатации и материалам экранов. Поэтому мы ищем и разрабатываем новые эффективные решения по шумозащите и ее эксплуатационной безопасности. В ассортименте есть панели с повышенной несущей способностью. На предприятии разработали и освоили производство панелей с низким аэродинамическим сопротивлением. Такие панели сейчас монтируются в составе экрана высотой 15 м.
Шумозащитные экраны АДК уже много лет надежно работают на автомобильных дорогах, промышленных предприятиях, защищают селитебные территории, зоны отдыха, территории детских садов, спортивных площадок, дворовых территорий. За время своей деятельности наше предприятие поставило шумозащитную продукцию в общем объеме около 300 тыс. кв. м на строительные объекты в разные уголки России. Это Москва, Новороссийск, Краснодар, Челябинск, Екатеринбург, Пермь, Новосибирск, Хабаровск и, конечно, любимый Санкт-Петербург.
Своей работой мы стараемся вносить эффективный вклад в мероприятия по защите от вредного шума и созданию общего благоприятного звукового фона в нашей жизни. Ведь самая эффективная шумозащитная конструкция та, которой нет, а ее функция выполняется. Так что нам есть к чему стремиться.