Вячеслав Селезнев, Константин Дорофеев,
МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н. Э. Баумана
Российские ученые разрабатывают составы «умных» дорожных покрытий, адаптированных к отечественным условиям эксплуатации и местному климату.
В МГТУ имени Н. Э. Баумана по направлению «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» ведутся разработки, связанные с проектированием составов «умных» дорожных покрытий, в том числе асфальтобетонных, с учетом отечественной специфики эксплуатации автомобильных дорог и климатических условий.
Активная работа в области увеличения долговечности эксплуатации дорожных покрытий ведется как российскими, так и зарубежными исследователями. Результатами их работы становится создание того или иного вида «умного» асфальта. Выделяются следующие основные технологии:
+ Дренирующий асфальтобетон – разновидность дорожного покрытия, обладающего системой открытых пор в количестве 15–25 %, благодаря чему вода, попадающая на покрытие, не застаивается на его поверхности и по системе пор уходит вглубь слоя и отводится на обочину в водоотводящую систему. Такая особенность позволяет избежать эффекта аквапланирования, способствует повышению сцепления в дождливую погоду, практически исключает образование водяного облака от впереди идущих авто, что в совокупности существенно повышает удобство и безопасность движения.
Асфальтобетоны данного вида получили широкое распространение на автобанах Германии, а также США и других странах Европы. Однако, несмотря на свои достоинства с точки зрения потребительских свойств, применение дренирующих асфальтобетонов в условиях РФ крайне затруднительно по двум причинам: быстрое «заиливание» и низкая прочность данного дорожного покрытия, в результате чего необходимо ограничивать движение по нему загрязненного и тяжелого автотранспорта.
Дренирующие асфальтобетоны, как это выявлено исследованиями Федерального дорожного агентства «Росавтодор», используются в Германии на скоростных автобанах, а также в США и Европе в качестве покрытий дворовых проездов и пешеходных территорий, где недопустимо движение тяжелых транспортных средств даже в единичных случаях (выезд трактора). Применение дренирующих асфальтобетонов в России затруднено еще и в связи с большим количеством температурных циклов, во время которых содержащие влагу грунтовые частицы увеличиваются и разрушают структуру асфальта изнутри.
+ Самовосстанавливающийся асфальт – это асфальт, который за счет различных процессов позволяет восстанавливать сетку трещин на поверхности органического связующего.
Распространение получили две основные технологии регенерации асфальта: первая основана на введении в состав битумного вяжущего дополнительных элементов, которые изначально либо химически не прореагировали (например, капсулы масел); вторая основана на использовании добавок, позволяющих с применением различных технологий нагрева (индукция и микроволновые технологии) разогревать битум, входящий в состав асфальтобетона, и обеспечивать заполнение («лечение») образовавшихся трещин.
Известны следующие виды добавок, обеспечивающие самозалечивание трещин с помощью нагрева: мелкая стальная стружка, выполненная в виде гранул с гладкими кромками (данная технология предложена исследователями из Нидерландов), углеродные многостенные нанотрубки под названием «Таунит-М», базальтовые горные породы, представляющие собой российские разработки. Однако описанные технологии самовосстанавливающегося асфальта также имеют свои недостатки, связанные со снижением и утерей физико-механических свойств дорожного покрытия после 2–3 циклов регенерации асфальтобетона, после чего необходима замена полотна.
+ Асфальтобетоны из новых материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Главное достоинство таких асфальтобетонов – повышенный межремонтный срок эксплуатации, которое достигается за счет точного подбора битума и определения «идеальной» комбинации всех компонентов дорожного покрытия, а также за счет введения добавок, имеющих отличный от битума состав, изменяющий его структуру и не позволяющий ему стареть.
Известны «умные» асфальтобетонные смеси, повышенные эксплуатационные свойства которых обеспечены благодаря интеллектуальному подбору их состава с применением современного лабораторного оборудования. Таков принцип функционирования инновационной системы разработки составов «Суперпейв» (США), осуществляющей прогноз физико-механических свойств дорожных одежд во времени в процессе эксплуатации. Другими примерами изготовления асфальтобетонов с высокой эксплуатационной надежностью является введение в состав асфальтобетонов полимерных материалов (термопластов, термоэластопластов, каучуков) для получения полимерно-битумных вяжущих, модификация битума графеновыми нанотрубками.
Данные технологии являются наиболее востребованными, так как меняют физико-механические свойства асфальтобетонных покрытий, позволяют повышать модель упругости. «Умными» асфальтобетоны в данном случае становятся за счет изменения реологии поведения битума в дорожном покрытии на вновь созданные умные полимеры.
+ Интеллектуальные дорожные полотна, оснащенные информационными системами (оптоволокно, сетка датчиков, отдельные датчики c GPS), дают возможность производить различные виды мониторинга, контроля и сбора информации.
Подобные информационные системы позволяют определять характеристики дорожного потока – его состав, массу, частоту, определять напряженно-деформированное состояние конкретных участков трассы, замерять максимальное нагружение на типовых участках трассы, производить оптимальное «интеллектуальное» проектирование состава асфальтобетона для различных полос с учетом характеристик проезжающего по ней автотранспорта, сокращая стоимость затрат на организацию дорожного покрытия. Существуют разработки системы интеллектуального дорожного полотна, определяющего наличие снега и наледи с последующим подогревом покрытия для его очистки.
Как видно из приведенных выше примеров, в области проектирования асфальтобетона нового поколения современными разработчиками делается ставка на инновационные технологии, которые призваны максимально сэкономить на поддержании большого количества километров дорожной отечественной сети.
По данным Росстата, 70 % всех дорог РФ имеют твердое покрытие, большинство из них построено по технологии с использованием асфальтобетона. Россия сталкивается с проблемой быстрого разрушения асфальтобетона, которое связано как с экономией на базовых материалах (щебне, песке, битуме), так и со сложными климатическими условиями. Проблема низкого качества дорожных покрытий осложняется и высокими транспортными нагрузками, и наличием «недоотремонтированных» участков, и недостатком надлежащего финансирования.
С учетом вышеизложенного, наличие подобного большого количества известных решений выявляет проблематику необходимости качественной научно-технической проработки вопроса, которая может быть проведена в рамках Центра НТИ «Цифровое материаловедение» как через построение цифровых моделей для проработки свойств различных применяемых материалов и их сочетаний, так и через проведение соответствующих экспериментальных научных лабораторных и опытно-конструкторских работ.
Предлагаемое исследование по направлению введения новых «умных» материалов и веществ в состав асфальтобетонных покрытий взамен известных решений на основе битума для увеличения срока эксплуатации дорожного полотна является востребованным, мультидисциплинарным, значимым в масштабах всей Российской Федерации, а также обладает высоким коммерческим потенциалом.
Работы ведутся на базе Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» и Межотраслевого инжинирингового центра «Композиты России», входящих в структуру МГТУ имени Н. Э. Баумана.
Журнал «Архитектура и Строительство» № 1 (1) 2021
