Первый шаг к нанодороге?

В Ярославле стартовал уникальный эксперимент. Небольшой участок одной из городских дорог будет покрыт новым материалом – структурированным асфальтобетоном, который может сделать революцию в дорожном строительстве России. О разработке корреспонденту «ДорИнфо» рассказал ее автор, профессор Ярославского государственного технического университета, доктор технических наук Валерий Готовцев.

Валерий Михайлович, патент на структурированный асфальтобетон был получен 10 лет назад, почему об этом изобретении стало широко известно только сейчас?

- Действительно, патент на изобретение был получен Ярославским государственным техническим университетом (ЯГТУ), преподавателем которого я являюсь с 1975 года. Заявку мы подали в 2000 году, и через два года патент был получен. Но, насколько известно, начиная с конца девяностых годов течение довольно продолжительного времени наука не находила должной поддержки. Не в чести были и ВУЗы. Финансирование было крайне ограничено, следовательно, о каком-либо серьезном развитии и серьезной работе говорить не приходилось. Все строилось на энтузиазме и случайных мелких хоздоговорах.

Однако разработки не были похоронены. В 2005 году нам с профессором Анатолием Зайцевым удалось получить грант фонда Бортника, что позволило, хоть и не в достаточной мере, но оборудовать лабораторию и продолжить исследования. Правда, заявка на грант этого же фонда в текущем году не прошла. О причинах остается лишь догадываться…

В этом году мы получили еще один толчок к развитию. Университет получил грант министерства образования, и по распоряжению ректора Ломова Александра Анатольевича часть средств была направлена на продолжение наших исследований. На этом события не закончились. В августе на заседании общественного Совета при областном департаменте дорожного хозяйства мы выступили с презентацией нового материала. Собственно, после этого работа наша работа получила огласку.

На сегодняшний день наши возможности весьма ограничены, исследования носят лабораторный характер и проводятся на примитивном оборудовании. Но путем неимоверных усилий наработана экспериментальная партия материала, который по договоренности с департаментом дорожного хозяйства будет уложен на одном из участков городских дорог, то есть пройдет проверку в рабочих условиях.

В чем заключаются особенности нового материала? Чем он отличается от обычного асфальтобетона?

- В данном случае разговор идет не столько об особенностях, сколько о принципиальном отличии разработанного материала от традиционных видов асфальтобетона. Суть заключается в формировании его структуры. Академик Петр Ребиндер, основатель научного направления физико-химической механики, еще в первой половине прошлого века сформулировал принципы создания композиционных материалов с идеальными свойствами.

Для формирования таких материалов необходимо использовать как можно более мелкие твердые частицы, связанные тончайшими пленками связующего. При этом получается структура, обладающая повышенными показателями прочности, водостойкости и долговечности. Основа этого эффекта базируется на отличии свойств связующего компонента, в данном случае, битума, в объемном состоянии и структурированном пленочном состоянии. Толщина битумных прослоек между твердыми частицами должна измеряться нанометрами, то есть на языке сегодняшнего дня это проявление наноэффекта.

ВАЛЕРИЙ ГОТОВЦЕВ, профессор Ярославского государственного технического университета   «Материал обладает уникальными свойствами и, в отличие от традиционных каркасных асфальтобетонов, внешняя нагрузка воспринимается не каменным каркасом структуры, а всей площадью контакта покрытия с колесами автомобиля, что позволяет отказаться от использования дорогостоящего гранитного щебня».

Насколько сложна технология производства такого материала?

- Чтобы создать необходимую структуру в материале необходимо строго упорядоченное расположение мелких минеральных частиц (минерального порошка). В условиях существующей технологии производства асфальтобетонных смесей решение такой задачи не представляется возможным. Однако известен технологический прием, позволяющий решить проблему. Он носит название гранулирования окатыванием. Суть метода состоит в том, что исходный материал помещается во вращающийся гранулятор, куда попеременно вводится связующее и минеральный порошок. В ходе процесса образуются гранулы с упорядоченной структурой. Описанный метод широко использовался в крупнотоннажных производствах минеральных удобрений, то есть велосипед изобретать не нужно – технологический процесс отработан и имеется стандартное оборудование.

Полученные таким образом гранулы представляют собой готовую асфальтобетонную смесь, которую достаточно разогреть и уложить в дорожное полотно. Гранулированный материал не проявляет склонности к слеживанию и может длительное время храниться под открытым небом.

Первая экспериментальная партия нового материала уже произведена. Но перед укладкой на дорогу проводились ли предварительные испытания?

- Да, мы протестировали материал в лаборатории отдела по контролю за качеством работ Государственного казенного учреждения Ярославской области «Ярдорслужба». Данные исследований оформлены в таблице. Образцы гранулированного асфальтовяжущего имели следующий состав: минеральный порошок (доломитовая мука) – 87%, битум БНД 60/90 – 13,0%. Использование гранулированного асфальтовяжущего в качестве асфальтобетонной смеси проблематично в связи с достаточно высоким содержанием битума, что приводит к удорожанию материала. Для уменьшения содержания битума в смеси был опробован материал, полученный окатыванием твердых частиц с созданием оболочки из структурированного асфальтовяжущего. Такой прием позволяет довести содержание битума в смеси ниже типового асфальтобетона, а также существенно сократить время процесса гранулирования за счет использования крупных частиц в качестве зародышей гранул.

Один из возможных вариантов такого материала представлен в четвертом столбце таблицы. В состав гранулированной асфальтобетонной смеси были включены крупные частицы минеральной части в виде отсева щебня, что позволило существенно снизить содержание битума в смеси. Состав асфальтобетонной смеси: отсев гранитного щебня фракции 1,5 – 3,0 мм – 63,85%, минеральный порошок – 30,96%, битум БНД 90/130 – 5,19%. Данные, приведенные в таблице, показывают снижение прочностных показателей материала, что может быть обусловлено использованием менее вязкого битума, а также уменьшением содержания структурированного вяжущего. Использование крупных частиц минеральной части позволяет повысить коэффициент внутреннего трения и довести его значение до требований ГОСТ. Однако здесь повышается водонасыщение материала, которое выходит за рамки нормативных требований. Полученный результат является прогнозируемым, в связи с тем, что при формовании образцов не производился подбор грануляционного состава смеси, как это делается в традиционном материале.

То есть структурированный материал принципиально отличается от типовых видов асфальтобетона.

- Данные таблицы свидетельствуют о том, что материал обладает уникальными свойствами и, в отличие от традиционных каркасных асфальтобетонов, внешняя нагрузка воспринимается не каменным каркасом структуры, а всей площадью контакта покрытия с колесами автомобиля, что позволяет отказаться от использования дорогостоящего гранитного щебня. Частицы щебня в гранулированной асфальтобетонной смеси лишь заполняют пространство, и не являются силовым элементом, как в каркасной структуре. В связи с этим в качестве ядер гранул могут быть использованы различные промышленные отходы, что позволит значительно снизить стоимость материала. Таким образом, варьируя содержанием минерального порошка, ядер гранул, битума и режимы работы гранулятора можно получить асфальтобетонную смесь с требуемыми эксплуатационными показателями.

Однако следует отметить, что результаты лабораторных испытаний образцов асфальтобетона не позволяют в полной мере прогнозировать поведение материала в дорожном покрытии. Окончательный вывод можно будет сделать после укладки материала в дорожное полотно и дальнейшим его мониторингом. В связи с этим разговор о широком промышленном использовании технологии является преждевременным. Тем не менее, данные таблицы позволяют надеяться на широкие перспективы разработанного материала.

Какие недостатки материала можно выделить?

- Основной недостаток состоит в необходимости изменения существующей технологии производства асфальтобетонных смесей, что потребует значительных капитальных вложений. С другой стороны, в мировой практике производства асфальтобетона подобный подход к формированию структуры материала неизвестен. Это позволяет надеяться на первенство нашей страны в этом вопросе.


Таблица результатов лабораторных испытаний материалов, полученные в отделе по контролю за качеством работ ГКУ ЯО «Ярдорслужба»

Наименование показателей	Единица измерения	Показатели гранулированного асфальтовяжущего	Показатели гранулированной а/б смеси	Требования ГОСТ 9128-2009 к смеси тип «Б» марка I
Плотность	г/см3	2,25	2,51	-
Водонасыщение	%	1,3	6,8	1,5 – 4,0
Предел прочности при сжатии при температуре   500С	МПА	6,1	1,6	не менее 1,2
Предел прочности при сжатии при температуре  200 С	МПА	12,2	6,8	не менее 2,5
Сдвигоустойчивость: -коэффициент внутреннего трения; -сцепление при сдвиге при температуре 500 С	-   МПА	0,61    2,54	0,81   0,58	не менее 0,81   не менее 0,37
Коэффициент водостойкости	-	1,00	0,76	не менее 0,90

МНЕНИЕ

Начальник отдела контроля качества управления федеральной магистрали Москва – Санкт-Петербург Александр Борисович Подрядчиков.

Как говорится новое – это хорошо забытое старое. Еще в 70-е годы XIX века в США впервые были устроены слои дорожной одежды с применением природного асфальтовяжущего - тринидадского озерного асфальта, содержащего 50-57% битума и коллоидную вулканическую глину. Тогда же был запатентован песчаный асфальтобетон с соотношением битума и песка 1:5, что позволило снизить стоимость материала и повысило эксплуатационные качества покрытия. С увеличением интенсивности дорожного движения и, особенно, с развитием автотранспорта возникла необходимость усиления несущей способности дорожной одежды и снижения стоимости дорожных работ. В начале XX века в качестве решения данной проблемы было предложено применение щебеночного асфальтобетона, за счет рационального подбора зернового состава минерального материала удалось добиться уменьшения пористости минерального остова и соответственно уменьшения расхода дорогостоящего битума примерно в два раза по сравнению с песчаным асфальтобетоном.

Тезис профессора Валерия Готовцева об отказе от применения в асфальтобетоне гранитного щебня, как наиболее дорогостоящего, не обоснован, так как стоимость минерального порошка в 1,5 раза выше стоимости привозного гранитного щебня.

К примеру, себестоимость материалов, необходимых для приготовления 1 тонны асфальтовяжущего, приведенного в таблице, составляет около 3100 руб. в текущих ценах, а для приготовления 1 тонны щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси марки ЩМА-15 - около 1900 рублей. Следует отметить, что щебеночно-мастичный асфальтобетон отличается от обычного повышенным содержанием щебня и битума с применением специальных стабилизирующих добавок.

Показатели гранулированной асфальтобетонной смеси, приведенные в таблице, не соответствуют требованиям ГОСТ 9128-2009 как к горячей щебеночной смеси типа Б марки 1, так и к песчаной смеси типа Г марки 1, сравнение с которой более правильное - предлагаемая смесь приготовлена на основе гранитного отсева без применения щебня. Низкие показатели водостойкости и водонасыщения предлагаемой смеси объясняются неправильным подбором зернового состава и необходимого количества битума. Можно предположить низкие эксплуатационные качества покрытия из такой смеси, быстрое разрушение в зимний период.

Что касается покрытия из асфальтовяжущего, предполагаем, что оно будет характеризоваться повышенной скользкостью то есть низким коэффициентом сцеплением с колесом автомобиля и склонностью к колееобразованию в летний период.

***

Объективно судить о свойствах нового материала можно будет лишь по окончании эксперимента. Уложить его планируют в сентябре. Сейчас структурированный асфальт ожидает главное испытание – зима. В зависимости от того, как покажет себя новое покрытие, можно будет конкретнее говорить о перспективах его использования. Более точную оценку можно будет дать через пять лет – это гарантийный срок службы обычного асфальтового покрытия. Сейчас будущее изобретения остается туманным и что-либо предполагать сложно. Но главное, что эксперимент начался.