19 Ноябрь 2017

 

В.С. ЛЕСОВИК, д-р техн. наук, М.А. ВЫСОЦКАЯ, канд. техн. наук,
В.В. ЯДЫКИНА, д-р техн. наук, Д.А. КУЗНЕЦОВ, канд. техн. наук,
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

 
Подавляющая часть покрытий проезжей части автомобильных дорог общего пользования в России построена с использованием органических вяжущих
материалов. В подобных конструкциях дорожной одежды битум является одним из важнейших компонентов, предопределяющих работоспособность
и долговечность композита. В силу определенных особенностей развития экономики страны, связанных с бурными темпами гражданского и промышленного строительства, цементобетонные покрытия автомобильных дорог составляют чуть более 3%, что на наш взгляд является недопустимым.
Общеизвестно, что Россия занимает лидирующие позиции по объемам добычи и экспорта нефти. Это совершенно закономерно, так как в недрах страны находится, по разным данным, от 6 до 13% нефти. Однако нефть относится к невосполнимым ресурсным запасам, а снижение объемов их прироста во многих нефтедобывающих регионах мира, в том числе на территории России, вызывает необходимость интенсивной разработки технологий, сокращающих расход битума в процессе приготовления композита, а также вовлечения в хозяйственный оборот альтернативных источников вяжущего сырья. Особенно эта проблема актуальна
в свете ведущихся разработок в области нефтехимии.
По самым смелым прогнозам специалистов запасы нефти будут исчерпаны через 20–30 лет. Однако в соответствии с наметившейся тенденцией дорожное строительство лишится возможности использовать битум в качестве основного вяжущего материала значительно раньше.
В соответствии с Транспортной стратегией РФ на период до 2020 г. к наиболее поощряемым и перспективным направлениям исследований относятся разработки транспортных энергетических установок, ориентированных на применение альтернативных видов топлива, а также гибридных энергетических установок. Действительно, есть, о чем задуматься, особенно если учесть ажиотаж, периодически возникающий в странах Европы в связи с повышением цен на нефтепродукты. Очевидно, что в сложившихся обстоятельствах получение битумов для дорожного строительства из нефти не самый острый вопрос, назревший в мировом сообществе.
Сложившуюся нерадужную картину можно дополнить несколькими штрихами экологического характера. В настоящее время производство материалов на основе битума в развитых странах значительно сокращается и по возможности переводится в третьи страны. Это связано с тем, что для работы с битумом необходим его разогрев до технологических температур, в результате чего выделяются пары ядовитых веществ. Очевидно, с этим связаны особенности в организации труда дорожных фирм Новой Зеландии, экологически чистого региона, на территории которого недопустимо приготовление горячих асфальтобетонных смесей. Все дорожно-строительные операции базируются на использовании битумной эмульсии.

Достижения в области техники позволяют создавать новые виды углеводородных, арамидных и других волокон, по прочности и деформативным показателям превышающих свойства стали. Использование этих нитей в композиционных материалах позволит обеспечить новый уровень технологии. В ближайшем будущем следует ожидать развитие нанотехнологий в строительстве.

Совершено очевидно, что существующие основы материаловедения, в том числе дорожно-строительного, в свете новых научных направлений и практических потребностей постепенно устаревают. В истории разработки составов, технологии производства и эксплуатации асфальто- и цементобетонных конструкций наблюдается переломный момент. Эти композиты еще имеют право на жизнь, но они рудимент материаловедения. Уже разрабатывается уникальная технология, позволяющая создавать материалы с уникальными свойствами – листы полимера, гибкие и упругие, как резина, и проводящие ток как металл; нанотрубки, прочные как сталь.
Ученые настолько увлечены открывающимися перспективами, что даже в технологии приготовления асфальтобетона имеются попытки управлять структурой композита за счет варьирования дисперсностью частиц в битумных эмульсиях. Полученные результаты обнадеживают: прослеживается позитивное изменение физико-механических свойств асфальтобетона с уменьшением размеров частиц дисперсной фазы битумных
эмульсий.
Другим, не менее перспективным направлением на пути экономии битума и, возможно, создания альтернативного вида вяжущего является использование отработанной резины. Разработанный метод высокотемпературного сдвигового измельчения [4] позволяет получать из резины тонкий полимерный порошок, выступающий не в качестве наполнителя, а как компонент химического процесса структурообразования композита.
Вероятно, на ближайшую перспективу идеальная конструкция покрытия автомобильной дороги будет представлять собой двухъярусную систему.

Нижний ярус – композит на основе неорганических вяжущих материалов или мелкозернистый бетон, обеспечивающий высокую несущую способность и прочность системы. Верхний тонкий или ультратонкий слой из эластичных деформативных материалов на основе нетрадиционных в настоящее время композиционных вяжущих с использованием нанопорошковых модификаторов будет обеспечивать комфортабельность и безопасность
передвижений по автомобильной дороге. Для поиска модификатора, который позволил бы уменьшить толщину слоя органоминерального покрытия с сохранением всех его свойств и признаков, была предпринята попытка замены минерального порошка для асфальтобетона известьсодержащим микронаполнителем с содержанием оксида кальция в количестве 30–40% от массы наполнителя. Было установлено, что основным отличием межмолекулярного взаимодействия в асфальтовых системах, содержащих
оксид кальция, является формирование коагуляционно-конденсационной структуры композита, связывающей отдельные зерна порошка или их агрегаты в каркас. В результате межпоровое пространство органоминерального композита оказывалось как бы армированным новообразованиями, за счет чего стало возможным снизить толщину слоя, увеличить прочность, тепло- и сдвигоустойчивость, деформативную
способность, а также долговечность и коррозионную стойкость подобного композита.
Опыт строительства дорог с использованием органического вяжущего насчитывает не один десяток лет, поэтому моментальный отказ от сложившихся технологий и технологических приемов невозможен. Однако стремления авторов использовать мелкие и ультрамелкие модификаторы для регулирования свойств строительных материалов на молекулярном уровне являются теми небольшими шагами, которые должны вывести строительное материаловедение на качественно иной уровень. Еще одним показателем постепенного развития дорожного строительства является повсеместное использование специализированных деформационных швов при строительстве.

Приведенные выше работы не имеют отношения к нанотехнологиям, однако их существование свидетельствует о назревающем поворотном моменте в материаловедении и разработке новых материалов, обладающих заданными показателями свойств, на основе эффективных вяжущих, синтезированных при помощи нанотехнологий.
Действительно, нанотехнологии позволят придать конструкционным материалам весьма разнообразные свойства. Один из основных законов развития техники приводит к тому, что все больше функций, обычно возлагаемых на устройства, будут выполнять сами материалы. Область материаловедения существенно изменится – появятся так называемые умные материалы, сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие (на основе алмазоида) материалы. По предварительным прогнозам нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией. Сейчас сложно что-то прогнозировать. Для внедрения в дорожно-строительную индустрию сверхтонких технологий необходимо значительно повысить уровень производства и качество выполнения работ. Однако хочется верить, что нанотехнологии найдут развитие и применение в дорожно-строительном материаловедении и станут отправным пунктом в новую эпоху
человечества.