В России создают технологии «умного» асфальта

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:

1. 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.

Дренирующие асфальтобетоны 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.


Вячеслав Селезнев, Константин Дорофеев,
МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н. Э. Баумана




17.03.2021

Читайте также

Предложить
новость
Если вы стали свидетелем или
участником интересных событий
Предложить
Подписка на
рассылку новостей
Каждую неделю только самые
важные и интересные новости
Подписаться
Подписка
на журнал
Оформите подписку на
новые выпуски журналов
Оформить
Новостная рассылка
Каждую неделю только самые важные и интересные новости