Комплементарное улучшение макромолекулярными нанокомпозитами технологических характеристик асфальтобетонных покрытий автодорог

Увеличение интенсивности и грузонапряженности автомобильного движения на основных маги- стралях России и Башкортостана приводит к быстрому деформативному разрушению асфальтобетонных покрытий. Одной из существенных причин преждевременного разрушения верхних слоев асфальтобе-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ тонных дорожных покрытий при резких колебаниях температуры является формирование микротрещин с последующим эрозионным шелушением и нарастающим образованием дефектов (выбоин с глубиной более 3 см и др.) [1–4]. Снижение водо- и морозостойкости асфальтобетона и, как следствие, уменьшение времени эксплуатации происходит также из-за понижения адгезии битумных вяжущих с поверхностью минеральных заполнителей. Разработки новых технологических решений многотоннажного производства битумных нановяжущих материалов и увеличение их эксплуатационного ресурса являются актуальным направлением реализации национального проекта «Безопасные и качественные дороги» Российской Федерации.

Для увеличения срока эксплуатации асфальтобетонных покрытий автодорог разработаны битумные композиционные вяжущие, среди которых особенно следует выделить полимерно-битумные композиции [5, 6]. Асфальтобетонные смеси с полимерно-битумными вяжущими увеличивают работоспособность покрытий дорожного полотна и устойчивость к образованию пластических деформаций (сдвигов, колей) в условиях высоких и низких температур. Оптимальный выбор состава асфальтобетона и способность эффективно сопротивляться реальным эксплуатационным нагрузкам без нарушения сплошности покрытия зависят от категории автомобильной дороги и природно-климатических условий региона.

Цель данной статьи – исследование применения полимерных нанокомпозитов для технологичного усиления параметров эксплуатационной стойкости асфальтобетонных дорожных покрытий.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Асфальтобетон – оптимально подобранная и перемешанная в нагретом состоянии смесь минеральных материалов и битума (покрытия автодорог), классифицируется по определенному перечню технологических параметров, каждый из которых влияет на физико-механические характеристики, функциональное состояние и долговечность [7]. Асфальтобетонные дорожные покрытия подразделяются по следующим основным параметрам: типу заполнителя (многокомпонентному составу); температуре изготовления и укладки; пористости; марке и т.п.

Нефтяной битум является наиболее используемым в дорожном строительстве вяжущим материалом, так как превалирует по сравнению с аналогами по доступности, стоимости, эффективности. Технологическая долговечность битумных вяжущих в асфальтобетонах непосредственно сопряжена с нанодисперсной микроструктурой, обусловленной количественным соотношением основных компонентов: масел (ароматические, нафтеновые и парафиновые углеводороды с молярной массой ≈ 500–1500 г/моль), олигомерных смол и макроциклических асфальтенов [8–10]. Химический состав и соотношение масел, смол и асфальтенов в дорожных битумах достаточно сильно варьирует в зависимости от исходного нефтяного сырья и технологии вакуумной окислительной переработки гудронов на нефтеперерабатывающих заводах.

При температуре 120оС и выше асфальтены находятся в молекулярно-дисперсионном состоянии, а при более низких температурах они образуют ассоциированные надмакромолекулярные комплексы (рис. 1). Битумные асфальтены имеют повышенную

Рис. 1. Схема образования ассоциированных комплементарных супрамолекулярных комплексов битумных асфальтенов: 1 – асфальтен; 2 – наноагрегатный кластер

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ склонность к ассоциации за счет межмолекулярных стэкинг π-π взаимодействий и формированию супра-молекулярных жидкокристаллических наноструктур: агрегатные фрактальные нанокластеры размерами 15–200 нм [11].

Асфальтены битумных нановяжущих за счет подверженности к супрамолекулярным комплементарным ассоциациям являются важнейшим структурообразующим компонентом асфальтобетонов. Гетероциклические битумные асфальтены формируют надмолекулярные фрактальные наноструктуры, которые представляют собой дискообразную непланарную стопку полициклических макромолекул с межплоскостным расстоянием ≈ 0,4 нм [12–15].

В строительном материаловедении традиционно считается, что наноструктура битумных материалов представляет собой коллоидную систему, в которой диспергированы фрактальные асфальтены, а дисперсионной средой являются олигомерные смолы и углеводородные масла. Супрамолекулярные асфальтены битума диспергированы в виде микрочастиц размерами от 18 до 20 мкм, которые окружены молекулярными оболочками тяжелых смол и масел с убывающей плотностью.

Асфальтобетонное дорожное покрытие представляет собой композиционный уплотненный материал, изготавливаемый смешением минеральных компонентов (песка, щебня) оптимальных размеров, агрегированных битумом (не более 10–15 % массовой доли). При оптимальном соотношении битумов и наполнителей битумное вяжущее – комплементарная матрица – находится в адсорбированном состоянии на шероховатой поверхности частиц тонкомолотых минеральных порошков. Слабая адгезия битумных нановяжущих с поверхностью минеральных наполнителей приводит к преждевременному разрушению асфальтобетонных дорожных покрытий.

Минеральный каркас асфальтобетона формирует смесь из минерального порошка (материала, полученного помолом карбонатных – известняки и доломиты – или некарбонатных горных пород, либо из твердых отходов промышленности), песка и щебня с соответствующим гранулометрическим составом согласно ГОСТ 32761-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Порошок минеральный. Технические требования» и ГОСТ 33029-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Щебень и гравий из горных пород. Определение гранулометрического состава».

Основные требования к минеральному порошку нормируются по следующим показателям: зерновому составу (мельче 2 мм; 0,125 мм и 0,063 мм), пористости и др. Зерновой (гранулометрический) состав минеральной части асфальтобетонных щебеночномастичных смесей определяют на ситах с номиналь- ными размерами ячеек: 0,063; 0,125; 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 5,6; 8,0; 11,2; 16,0; 22,4; 31,5 мм. Минеральный порошок изготавливают чаще всего в производстве активированным (с добавками поверхностно-активных веществ) для усиления комплементарного эффекта; активированные минеральные порошки преимущественно гидрофобны. Одним из методов активации минеральных порошков во время технологического помола является физико-химическая обработка их поверхности, осуществляемая анио-нактивными поверхностно-активными веществами из отходов жиропереработки [16].

Расчет оптимального соотношения минеральных компонентов: щебня (гравия), песка, минерального порошка – должен обеспечивать установленное содержание зерен крупной и мелкой фракции в общем составе заполнителей, которое обеспечивает долговечность (одновременно прочность, экономичность) дорожного покрытия. Структура гранулометрической (зерновой) части ограничивается предельными кривыми (рис. 2) допустимого количества проектируемой фракции зерен; в результате эксплуатационные показатели основных характеристик асфальтобетона соответствующей марки будут отвечать техническим нормам.

Асфальтобетонные смеси в зависимости от заполнителя подразделяют на щебеночные, гравийные, песчаные; по плотности – на высокоплотные (остаточная пористость от 1,0 % до 2,5 %), плотные (остаточная пористость свыше 2,5 % до 5,0 %), пористые, высокопористые. Основной компонент мелкозернистого асфальтобетона для устройства верхнего слоя дорожного покрытия – щебень фракцией до 20 мм. Щебеночные (гравийные) плотные асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяются на несколько типов, например, тип Б (содержание щебня от 40 % до 50 %). Для смесей типа Б содержание зерен щебня пластинчатой и игловатой формы должно быть не более 25 % по массе.

В соответствии с ГОСТ Р 58406.1-2020 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси щебеночно-мастичные асфальтобетонные и асфальтобетон. Технические условия» требования к асфальтобетонам предъявляются по показателям, характеризующим параметры структуры (остаточная пористость, пористость минеральной части, водонасыщение), физико-механические свойства по параметрам прочности (при сжатии при температурах 20оС и 50оС и на растяжение при расколе при температуре 0оС) и сдвигоустойчивости (коэффициент внутреннего трения и сцепления при сдвиговой деформации).

Испытания асфальтобетонного дорожного покрытия включают в себя ряд методов, контролирующих технологические свойства битумно-минераль-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 2 . Проектирование гранулометрического состава минеральных компонентов верхнего слоя дорожного покрытия на базе предельных кривых мелкозернистых асфальтобетонов

ных композиций. Физико-механические характеристики битумных вяжущих оцениваются при помощи следующих показателей: растяжимости, температуры размягчения и хрупкости, эластичности, так как они определяют большинство технологических параметров асфальтовых дорожных бетонов. Изучение реологических свойств битума (в частности, динамической вязкости при 60оС) с полимерными нанодобавками позволяет оценить их влияние на структуру асфальтобетонной смеси, выбрать оптимальное их сочетание и дозировку, получать асфальтобетонные смеси с требуемыми характеристиками: устойчивостью асфальтобетонных дорожных покрытий к ко-лееобразованию, повышенной уплотняемостью при пониженных температурах.

Для расширения интервала пластичности и температурного интервала применения битумных вяжущих, усиления адгезии и шероховатости в асфальтобетонах применяют их модифицирование, заключающееся во введении различных нанодобавок. В качестве макромолекулярных улучшителей технологических характеристик асфальтобетонных покрытий могут использоваться блоксополимерные стирол-бутадиен-стирол, атактический полипропилен, изотактический полипропилен и т.п. [17–20].

Результативное добавление в состав битумных композиций модифицирующих полимерных нанокомпозитов является эффективным методом комплементарного улучшения физико-механических характеристик битумов и повышения долговечности дорожных покрытий. Комплементарное (взаимо- дополняющее) взаимодействие фрагментов макромолекул полимерных нанокомпозитов и супрамо-лекулярных ассоциаций асфальтенов обеспечивает формирование Ван-дер-Ваальсовых связей за счет пространственного взаимного расположения.

Схема метода приготовления битумного модифицированного нановяжущего: нефтяной дорожный битум марки БНД 70/100 нагревали до 170–180оС при перемешивании в гидродинамических смесителях со скоростью 140–150 оборотов/мин. Далее добавляли бутадиен-стирольный сополимер 4% (по массе); затем увеличивали обороты до 700–800 оборотов/мин и перемешивали 50–60 мин до получения гомогенной полимерно-битумной нанокомпозиции. Показатель эластичности макромолекулярно-битумных нанокомпозиций определяли с помощью дуктилометра нахождением растяжимости модифицированного нановяжущего при температуре +25оС и 0оС; эластичность при +25оС характеризует технологические характеристики трехмерной наносетки, а при 0оС работоспособность при низких температурах.

В качестве макромолекулярных нанокомпозитов, применяемых часто для улучшения морозостойкости термоэластичных характеристик битумов следует отметить использование комплементарно совместимых бутадиен-стирольных каучуковых сополимеров дендримерной разветвленной структуры [21]. Эластичные бутадиеновые и жесткие стирольные блоки могут полимеризоваться в форме разнообразных сополимеров, а жесткие полистирольные домены размерами 350–700 нм выполняют в макромолекуле

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ роль функции узлов вулканизационной наносетки и усиливают синергетический эффект.

Бутадиен-стирольные нанокомпозитные сополимеры с молярной массой ≈105 достаточно хорошо совмещаются с битумными дорожными вяжущими за счет набухания в нафтено-ароматических углеводородах битумного вяжущего и частичного растворения при температуре 175оС [22]. Термопластичные блок-сополимеры вводят в состав битумных вяжущих в гранулированном виде (крошки) или расплава, а для улучшения совместимости модифицирующих сополимеров и битумной вяжущей используют пластификаторы: индустриальные масла, нефтяные гудроны, межфазные компатибилизаторы и др. Оптимальный подбор группового химического состава компаундированных дорожных битумов обеспечивает формирование нанодисперсной структуры битума типа «золь-гель» [23].

В процессе приготовления улучшенного полимерными наномодификаторами асфальтобетона осуществляют постоянный контроль технологического процесса и испытание образцов асфальтобетонных покрытий. Эффективное цифровое регулирование параметров в системе автоматизированного управления производством асфальтобетонной смеси [24] позволяет выработать оптимальный вариант функционирования технологической линии. Характеристики основных компонентов: песка, щебня, минерального порошка, комплементарной битумной вяжущей и макромолекулярных нанодобавок, а также параметры технологического процесса учитываются как критерии при управлении качеством готовой асфальтобетонной смеси. Разнообразные виды асфальтобетонов для создания дорожных покрытий отличаются по составу комплементарных сырьевых материалов, технологии изготовления и физико-механическим характеристикам.

Векторы комплементарного совершенствования дорожных асфальтобетонных композиций разнообразными добавками направлены на обеспечение самозалечивания микротрещин дорожного покрытия, самоочищения зимних снежно-ледяных отложений [25]. Температурная устойчивость характеризуется способностью асфальтобетона противостоять температурным перепадам: термопластичный асфальтобетон трансформирует более плавно термомеханические свойства от пластичных (при высоких температурах) до хрупких (при низких температурах) и стабильностью к сдвиговым деформациям и образованию трещин.

Наиболее легко воспроизводимыми показателями температурной устойчивости являются значения предела прочности на сжатие асфальтобетона при температурах +50оС, +20оС и 0оС. В соответствии с требованиями ГОСТ 9128-2009 «Смеси асфальто- бетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия» минимальное значение этого показателя при +50оС не менее 0,9 МПа (характеризует способность асфальтобетона противостоять сдвиговым деформациям), а максимальное – не более 12 МПа при 0оС.

Битумное вяжущее испытывают на сцепление с поверхностью щебня – комплементарного минерального компонента, при сцеплении битумного вяжущего ниже четырех баллов дополнительно применяют адгезионную термостабильную добавку в количестве 0,3–0,5%. В качестве стабилизирующих нанодобавок и модификаторов щебеночно-мастичных асфальтобетонов используют гранулированное или негранулированное целлюлозное волокно.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Комплементарная супрамолекулярная пространственная сетка, образующаяся в битуме с участием бутадиен-стирольных нанокомпозитных сополимеров, придает достаточно высокую прочность, теплостойкость и способность к высокоэластическим деформациям [26] асфальтобетонным покрытиям автодорог в интервале температур от –80оС до +90оС; это особенно заметно в условиях возрастания интенсивности движения большегрузных автомобилей. Следует отметить, что для производства модифицированных полимерно-битумных вяжущих необходимо повысить адгезионные характеристики к поверхности комплементарных минеральных наполнителей. Высокие показатели адгезии свидетельствуют о способности модифицированного битума удерживаться на поверхности заполняющих материалов при разрушающем воздействии на них молекул воды.

В дисперсионной среде битумных вяжущих макромолекулярные наномодификаторы образуют трехмерную наносетку и существенно резко усиливают эластичность, которая характеризует способность вяжущего к обратимым, эластическим деформациям; также одновременно снижается температура хрупкости и повышается температура размягчения. Дорожный битум должен обладать необходимой адгезией к поверхности наполнителей для обеспечения требуемого коэффициента длительной водостойкости и продолжительной эксплуатации асфальтобетонного покрытия без эрозии [27]. Активация минерального порошка асфальтобетонной смеси влияет на комплементарные факторы структурообразования дорожной композиции. При смешивании битумной вяжущей с микрочастицами минерального порошка, под действием комплементарных межмолекулярных взаимодействий происходит фрактальная хемосорбция асфальтеновых нанокластеров на шероховатой поверхности минерального компонента.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Комплементарные, пространственно взаимодополняемые макромолекулы, содержащие функциональные группы за счет Ван-дер-Ваальсовых, водородных, гидрофобных, ион-дипольных и электростатических взаимодействий, приводят к возникновению достаточно большого числа межмолекулярных связей, определяющих динамизм надмолекулярного структурообразования [28] асфальтобетонных покрытий. Для технологического производства требуемого битумно-полимерного нановяжущего вводят в битум 3–5% бутадиен-стирольного нанокомпозита, 0,5–1% адгезионной нанодобавки – межфазного компатибилизатора и 4–5% пластифицирующего компонента (рис. 3).

Трещиностойкость асфальтобетонного дорожного покрытия существенно зависит от способности битумных нановяжущих эксплуатироваться в зоне обратимых деформаций. Наиболее доминирующим фактором появления и роста микротрещин в асфальтобетонном покрытии при совместном действии механических нагрузок, колебаний температур и агрессивных сред является диффузия разрушающих агентов в контактную зону между минеральным наполнителем и пленкой битумного нановяжущего.

В результате комплементарной модификации нефтяных дорожных битумов макромолекулами производятся асфальтополимербетоны, способные противостоять колейности, усталостному разрушению, трещиностойкости и термоокислению. Следует также отметить, что для обеспечения повышенной устойчивости к сдвигу и образованию трещин асфальтобетонных покрытий в качестве наполнителей используют стекловолокна, полимерные фибры и модифицированные дивинил-стирольные термо-эластопласты древовидного строения [29]. Адгезионные полимерные добавки облегчают формирование прочных комплементарных связей между битумной вяжущей и механо-активированными минеральными наполнителями, снижают эрозионное отслаивание и усиливают гидроизолирующие характеристики.

Основные недостатки битума – атмосферное термоокислительное старение и, что более важно, низкая деформационная стабильность в интервале температур эксплуатации: стеклование и охрупчивание в осенне-зимний период и течение (оплывание, колееобразование и т.п.) в летний сезон. Физикохимические причины технологических дефектов асфальтобетонных покрытий заключаются в дисперсной структуре битумов – практическое отсутствие макромолекулярных соединений: асфальтены – полициклические твердые продукты, а маль-тены (смолы и масла) – олигомеры с молекулярной массой более 2500–3000, которые предопределяют лишь вязкотекучие деформации битумных нановя-

Рис. 3 . Схема микроструктуры битумных вяжущих, модифицированных бутадиен-стирольными сополимерами:

1 – битумный наноагрегатный кластер; 2 – макромолекула бутадиен-стирольного сополимера;

3 – полимерно-битумное нановяжущее

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ жущих в узком температурном интервале. Широко используемые модификаторы битума – бутадиенстирольные блок-сополимеры – при введении в битумное вяжущее [30] не решают полностью проблему подверженности его атмосферному старению ввиду большого количества двойных связей в макромолекуле; общим недостатком таких композиций является расслаиваемость их под действием разных плотностей битумов и полимеров.

Исходный нефтяной битум марки БНД 60/90 не полностью удовлетворяет требованиям ГОСТ: глубина проникания иглы (пенетрация) 0,1 мм (при 25оC) – 61 (требование 61–90); температура размягчения по кольцу и шару– 43оC (требование не ниже 47); растяжимость (при 25оC) – 124 см (требование не менее 55); температура хрупкости– минус 17оC (требование не выше минус 15). Битум марки БНД 60/90 был модифицирован внесением 1% измельченной ПЭТФ и 0,4% комплементарной нанодобавки, благодаря чему удалось получить качественный аналог марки БНД 130/200, отвечающий нормативным требованиям: глубина проникания иглы 0,1 мм (при 25оC) – 152 (при треб. 131–200); температура размягчения по кольце и шару – 41,2оC (при треб. не ниже 40); растяжимость (при 25,0оC) – 94,7 см (при треб. не менее 70); температура хрупкости – минус 28оC (при треб. не выше минус 18).

Другим перспективным подходом комплементарного улучшения макромолекулярными нанокомпозитами технологических характеристик асфальтобетонных дорожных покрытий является модификация битумов реакционноспособными добавками: такие модификаторы можно вводить в меньших количествах, а получающиеся композиции не расслаиваются. Например, «Элвалой» (Elvaloy, выпускается компанией Du Pont) – термореактивный сополимер этилена с бутилакрилатом и дифункциональ-ным глицидилметакрилатом. В результате модифицирующего использования «Элвалоя» происходит физико-химическая реакция между эпоксигруппой глицидилметакрилата и карбоксильными группами асфальтенов [31]. Добавление небольшого количества 1–1,5% «Элвалоя» в битумное вяжущее БНД 90/130 усиливает эластичность от 60% до 90%, а также приводит к увеличению температуры размягчения битумного вяжущего; существенно вырастает когезия и увеличивается адгезия с минеральными компонентами асфальтобетона.

ОБСУЖДЕНИЕ

Асфальтобетон – нанокомпозит, основу которого составляют минеральные частицы разных размеров, агрегированные битумом (не превышает 10% от массы материала), свойствами которого определяется большинство физико-механических показателей дорожного покрытия. Битумные вяжущие проявляют себя в качестве типичных нефтяных нанодисперсных систем, адгезионные характеристики которых определяются наноструктурными частицами – асфальтенами дисперсной фазы. Содержание компонентов асфальтобетонной смеси жестко нормируется требованиями ГОСТ в зависимости от условий работы дорожного покрытия.

Основной вяжущий компонент дорожных покрытий – битум – имеет ряд существенных недостатков: слишком узкий интервал пластичности и низкий комплекс технологических параметров, необходимых для создания высококачественных автодорог, особенно при температурах ниже нуля [32]. Макромолекулярные комплементарные наномодификаторы асфальтобетонных композиций должны обладать также достаточно высокой термостойкостью (выше температуры текучести битума) до 180–200оС. Битумные вяжущие на всех этапах жизненного цикла: в процессе изготовления, хранения, транспортирования и в составе асфальтобетонных дорожных покрытий подвергаются значительным физико-химическим, механическим и термоокислительным воздействиям [33].

Поэтому возникает настоятельная потребность в улучшении свойств дорожного битума путем введения в него модифицирующих нанодобавок, ингибиторов термо-окислительного старения. Полимер-битумные нановяжущие (стирол-бутадиен-стирол 2–3% по массе) одновременно с коагуляционным «каркасом» из супрамакроциклических асфальтенов содержат эластичную наносетку из макромолекулярных блок-сополимеров.

Следует отметить, что решающее влияние на технологические характеристики асфальтобетонных покрытий оказывают адгезионные межфазные процессы, происходящие на поверхности зерен минерального порошка при взаимодействии его с битумом (рис. 4). Деформативные разрушения по контактной межфазной зоне проистекают часто из-за малой когезионной прочности макромолекулярной битумной микропленки и недостаточной адгезии битумного материала к поверхности минеральных компонентов асфальтобетона. Введение модификаторов в битум должно обеспечивать увеличение комплементарной адгезии битумного связующего к минеральным компонентам в несколько раз, а также заметное увеличение температурного интервала пластичности и деформируемости.

К полимерным компонентам, используемым для модификационного улучшения дорожных битумов, предъявляется ряд технико-экономических требований: хорошая совместимость с битумами; широкий температурный диапазон высокоэластичности от –60оС до +100оС; низкая себестоимость. Физи-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 4. Схема межфазового комплементарного взаимодействия битумно-поли-мерного вяжущего (1) с поверхностью минерального наполнителя (2)

ко-механические и реологические характеристики асфальтобетонных покрытий автодорог в значительной степени зависят от качества и соотношения битумного и минеральных компонентов. При приготовлении и транспортировке асфальтобетонных смесей помимо действия повышенной температуры (170–200оС) на них оказывают влияние межфазовые поверхностные явления в пограничных слоях контакта вяжущего и минерального наполнителя, а в эксплуатируемом асфальтобетоне дорожного современного полотна – разнообразные климатические и физико-механические влияния.

При нарушениях технологии изготовления асфальтобетонных композиций молекулы воды проникают на межфазную поверхность между битумом и минеральным материалом и разрушают адгезионные связи в уложенных дорожных покрытиях. Результатом действия инкапсулированных наномодификаторов [34] является востребованное повышение технических и эксплуатационных характеристик асфальтобетона; такой же эффект достигается при структурировании битумного нановяжущего на границе раздела. В этом случае комплементарный эффект достигается уменьшением содержания битума в асфальтобетонной смеси при упорядоченном расположении частиц минерального порошка. В отличие от модификации асфальтобетона, где происходит самоорганизация наноструктуры вследствие введения модификаторов, при структурировании асфальтовяжущего упорядочение структуры реализуется путем механического воздействия на частицы наполняющего материала в процессе окатывания минеральных гранул.

Оптимизированный режим движения наземного автотранспорта и техническая категория являются критериями для выбора комплементарного типа асфальтобетона, обеспечивающего сдвигоустойчивость и шероховатость дорожного покрытия. Рекомендуемые области применения различных асфальтобетонов являются основными факторами использования допустимых видов и марок асфальтобетона; марка асфальтобетонной смеси поднимается с повышением категории дороги и ухудшением дорожно-климатических условий. Так, для участков автомобильной дороги с регулярным торможением и остановкой автотранспорта выбирают асфальтобетонные смеси с повышенным содержанием щебня и использованием дробленого песка.

Следует отметить, что в процессе устройства асфальтобетонного покрытия и в период его формирования очень важно комплементарное управление качеством дорожного строительства: тщательный контроль выровненности и плотности грунтового основания; правильность установки бортовых камней (бордюров), решеток и люков колодцев инженерных и подземных сетей; равномерность толщины слоя асфальтобетона с учетом коэффициента уплотнения; соответствие поперечного и продольного уклонов проекту автодороги и др. Так, для эффективного контроля оценки качества асфальтобетонного дорожного покрытия берут пробы: вырубки и керны не ближе 1,5 м от бортового камня; следует отметить, что лабораторные пробы отбирают не ранее, чем через 3 суток после окончания уплотнения и до начала движения автотранспорта из расчета – одна проба с каждых 3000 м2 [35]. Нормативную толщину укладываемого слоя асфальтобетонного дорожного покрытия инструментально контролируют в процессе укладки металлическим щупом с делениями; требуемую равномерность распределения укладываемого слоя и качество отделки стыков смежных полос тщательно проверяют специальными приборами (рис. 5).

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 5. Контроль укладки асфальтобетонного дорожного покрытия с использованием полимернобитумных нанокомпозиций

Отметим также, что дорожные битумы по комплексу технологических, эксплуатационно-технических и экономических показателей до последних 20 лет в общем удовлетворяли потребителей, а невысокая долговечность компенсировалась низкой стоимостью, оправдывая ремонт асфальтобетонных покрытий. Однако с ростом цен на нефть и энергию, с одной стороны, и с возрастанием интенсивности воздействий на дорожные покрытия, с другой (увеличение осевой нагрузки автомобилей и рост интенсивности движения на автодорогах), экономически целесообразный срок службы асфальтобетонных покрытий стал превышать их фактическую долговечность.

По сравнению с асфальтобетонами на традиционных нефтяных битумах комплементарные полиме-расфальтобетоны характеризуются меньшей чувствительностью к изменению температуры, повышенной динамической устойчивостью, сдвигоустойчивостью и колеестойкостью, деформативностью при низких температурах, более высокой морозостойкостью. Срок службы дорожных покрытий с использованием полимерасфальтобетонов превышает срок эксплуатации асфальтобетонных покрытий с применением битумов в 2–3 раза по специально разработанной шкале, включая требования к большегрузным транспортным нагрузкам. В 2021 году по всей России было использовано более 1 млн тонн модифицированных полимерами битумных вяжущих при строительстве новых скоростных автомагистралей.

В настоящее время продолжаются востребованные разработки оптимизированных рецептур битумных нановяжущих, адаптированных под климатические условия регионов средней полосы России и возрастающую интенсивность автотранспортного движения. Однородная плотность асфальтобетонных смесей, являющаяся комплементарным фактором усиления долговечности и стабильности дорожных покрытий, достигается за счет непрерывной укладки композиции таким образом, чтобы асфальтобетон не сегрегировал фракционно, а затем равномерно уплотнялся катками [36].

Статистический анализ показывает, что в Российской Федерации объем выпуска битумных материалов в 2022 году составил около 7,7 млн тонн; при этом технологические мощности российских производителей уже сейчас позволяют увеличить производство до 14,5 млн тонн. Российскими битумами продолжают интересоваться традиционные партнеры-экспортеры, дружественные страны евразийского экономического союза. В рамках Технического регламента Таможенного союза (ТР ТС 014/2011) строительство автомагистральных дорог осуществляется с применением инновационных наноматериалов и технологичным управлением дорожных машин и оборудования [37, 38].

Цифровые нанотехнологии за счет анализа больших баз данных позволяют подбирать оптимальный состав асфальтобетонных смесей, искусственный интеллект становится полноценным участником создания новых рецептур битумных нановяжущих, использование статического зондирования в 3D проектировании строительства региональных и федеральных автодорог, управлении дорожно-строительными машинами [39–41]. Для решения проблемы абразивного износа и комплементарного улучшения макромолекулярных нанокомпозитов технологических характеристик асфальтобетонных покрытий автодорог необходимо проектировать композиции с крупным щебнем (до 60%) и максимально плотной микроструктурой. Инновационными направлениями в производстве битумных вяжущих для комплементарного улучшения макромолекулярных нанокомпозитов технологических характеристик асфальтобетонных дренирующих покрытий автодорог является переход к более объемным и более динамическим тестам.

В реализуемых проектах строительства, реконструкции и содержания автомобильных дорог необходимо проработать механизм импортозамещения битумных материалов и достижения технологического суверенитета в обновлении дорожных машин: грейдеров, асфальтоукладчиков и т.п. Планируется в 2024 году ввести в действие ГОСТ Р «Дороги автомобильные общего пользования. Вяжущие нефтяные битумные. Правила выбора марок»; вводимый стандарт будет распространяться на конструктивные слои дорожных покрытий из асфальтобетона, а также устанавливать методику выбора битумных вяжущих, допустимых для применения в слоях с учетом температурных условий эксплуатации асфальтобетонных покрытий и возрастающих транспортных нагрузок.

В 2022 году российскими предприятиями было выпущено более 65 млн тонн асфальтобетонных смесей; лидером производства асфальтобетонных дорожных, аэродромных смесей по России за 2022 год стал

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Центральный федеральный округ с долей более 28%; на втором месте – Приволжский федеральный округ (свыше 18%). Актуальным остается строительство в Российской Федерации отечественных битумных терминалов для комплементарного и стабильного функционирования асфальтобетонных заводов. В будущем, в 2024–2030 годах битумный терминал должен не только хранить и отгружать высококачественный битум, но и производить его, т.е. трансформироваться в производственно-логистический комплекс [42].

Дорожное строительство – одна из ключевых отраслей российской экономики, призванных стабилизировать поступательное движение страны в условиях агрессивных санкций и геополитической турбулентности. Санкционные ограничения, которые затронули нефтепереработку, поставки за рубеж в недружественные страны, коснулись и производства нефтяных дорожных битумов. Вертикально интегрированные компании «Роснефть», «Газпром» и др. имеют технологические возможности оптимизировать технологию производства востребованных битумных материалов. В целом, реализация инфраструктурной транспортной стратегии России, в рамках которой производится строительство магистральных трасс, например, М-12 «Москва–Ниж-ний Новгород–Казань» с последующим продлением до Екатеринбурга, потребует увеличение емкости внутреннего битумного рынка: к 2033 году по оптимистичному сценарию достигнет 8,5 млн тонн.

Востребованным трендом в условиях геополитических тормозящих санкций выступает использова- ние в производстве асфальтобетонов техногенных отходов: шлаков, золы-уноса; разнообразных отходов нефтеперерабатывающей промышленности; искусственных каменных материалов (керамзита, и т.п.); отработанного асфальтобетона и др. [43, 44]. Рекуперационное использование битумно-поли-мерных рециклированных отходов мягких кровель в строительстве автомобильных дорог является оптимальным подходом решения экологических проблем современности [45]. Резино-полимерно-битумные вяжущие на основе использования резины отработанных покрышек перспективны для наноструктурной модификации битума и конструирования дренирующей асфальтобетонной смеси [46, 47].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ)

Добавление в состав битумных композиций модифицирующих полимерных нанокомпозитов является эффективным способом комплементарного синергетического улучшения физико-механических характеристик асфальтобетонов. Битум с модифицирующими макромолекулярными нанодобавками повышает долговечность асфальтобетонных покрытий, срок службы автодорог увеличивается в 2–3 раза. Битумные вяжущие дорожных асфальтобетонов, модифицированные полимерными нанокомпозитами, имеют в упругопластичном состоянии более высокую адгезию и когезию, широкий диапазон термопластичности, высокоэластичности от –60оС до +100оС.