Синергетическое улучшение битумными микродисперсными эмульсиями технологических характеристик дорожных покрытий транспортных автомагистралей

Глазачев А.О., Иванова О.В., Павлов С.Ю., Салов А.С., Ахметшин Р.М. Синергетическое улучшение битумными микродисперс-ными эмульсиями технологических характеристик дорожных покрытий транспортных автомагистралей // Нанотехнологии в строительстве. 2024. Т.16, № 5. С. 463–472. – EDN: MRDGYJ.

Инновационные разработки эмульсионных нанотехнологий, которые позволяют достигать ресурсосбережения, технологичности и экологичности конструирования высококачественных дорожных покрытий, являются одними из самых эффективных направлений в строительстве транспортных сооружений. Микродисперсные битумные дорожные эмульсии используются в технологии строительства и реконструкции автодорог России: эффективного устройства защитных износостойких слоев с шероховатой поверхностью; в профилактическом ремонте глубоких выбоин при низких температурах; экологичном закреплении грунтовых откосов земляного полотна; в качестве нанодобавки при комплексном укреплении слабых грунтов дорожного полотна (известью и др.); в производстве черного щебня, пористых, плотных щебеночных и гравийно-песчаных материалов, используемых при устройстве конструктивных слоев транспортных скоростных магистралей [1–4].

Ресурсосберегающее технологичное использование нефтяных битумов в качестве вяжущих дорожных материалов требует уменьшения реологической вязкости, что может достигаться нагревом до 170°С, растворением в углеводородных разбавителях и эмульгированием в воде [5–7]. Водно-битумные эмульсии используются уже более ста лет в дорожно-строительных работах: ямочном ремонте, укладке износостойких защитных тонких слоев дорожных покрытий. Результативное приготовление стабильных водно-битумных эмульсий требует использования эффективных поверхностно-активных веществ – эмульгаторов, которые стабилизируют дисперсность битумных микрокапель и придают устойчивость при длительном хранении: например, циклический амин и стабилизатор (блок-сополимер этиленоксида и пропиленоксида) до 90 дней [8]. Синергетические разработки усовершенствования технологических характеристик дорожных покрытий автомагистралей битумными микродисперсными эмульсиями остаются актуальными.

Цель данной статьи – исследование результативных способов приготовления и использования водно-битумных нефтяных микродисперсных эмульсий в интенсивном строительстве и реконструкции автомобильных дорог и транспортной инфраструктуры.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В дорожном строительстве наиболее технологично использование прямых водно-битумных эмульсий (битумная дисперсная фаза распределена в виде микрокапелек размерами 1–20 мкм в водной дисперсионной среде). Количество дорожных нефтяных битумов (от

БНД 40/60 до БНД 200/300) варьирует в микрогетеро-генной эмульсии 30–80 масс. %; мягкой воды (жесткость не более 6 мг-экв/л) 15–65 масс. % (рН ≈ 7, среда нейтральная); эмульгатора до 3% масс. %.

Небольшие количества эмульгаторов снижают межфазное натяжение между водой и несмешиваю-щимся битумом, что способствует устойчивому распределению битумных микрокапель в водной фазе. Эффективность эмульгирования зависит от составной микроструктуры дорожного нефтяного битума, макромолекулярных нанодобавок, физико-химических характеристик эмульгатора, а также режима эмульгирования [9–11]. Установлено, что в случае, когда соотношение компонентов смол и масел в битумной нефтяной вяжущей превышает 0,6, а пропорция смол и асфальтенов находится в диапазоне от 0,5 до 2,0, битумный компонент будет результативно эмульгирован.

Эмульгирование (диспергирование битумных жидкофазных компонентов) – процесс физического дробления (измельчения в микрокапли) осуществляется различными установками: коллоидными мельницами, ультразвуковыми диспергаторами и т.п. Для многотоннажного производства водно-битумных эмульсий коллоидная мельница является наиболее часто используемым технологичным оборудованием. Коллоидная мельница состоит из быстро вращающегося ротора (угловая скорость 2500–7000 об/мин) и статора; благодаря центробежным силам битумный компонент расщепляется в микрокапли, которые покрываются электрически заряженным поверхностноактивным эмульгатором. В распределении микрокапель по размерам (диаметр битумных микрокапель) важную роль играют геометрические характеристики производственной [12–14] коллоидной мельницы: регулируемый зазор между ротором и статором составляет от 0,25 до 0,5 мм, а также угловая скорость вращения ротора (рис. 1).

Сначала в коллоидную мельницу поступает поверхностно-активный эмульгатор, в форме водного раствора температурой 50–70°C; затем в коллоидную мельницу подается дозированно расплавленный битум при температуре 140–170°C, подходящий для эмульгирования вязкостью около 0,2 Па·с. Оптимальное эмульгирование (диаметр битумных микрокапель 5–10 мкм) в коллоидной мельнице осуществляется при содержании битумного компонента не больше 70% и температуре не выше 90°C в течение 25–30 минут. При выходе из этого диапазона производство водно-битумной эмульсии становится неэффективным из-за формирования более крупных битумных микрокапель, а приготовленные дорожные эмульсии теряют стабильность при хранении в резервуаре. Показатели условной вязкости, адгезионные свойства, индекс распадаемости, стабильность являются основными характеристиками битумных эмульсий в рамках уже-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 1. Схема функционирования коллоидной мельницы в процессе изготовления водно-битумной эмульсии: 1 – ротор, 2 – эмульсия, 3 – статор, 4 – электромотор, 5 – битум, 6 – водный раствор эмульгатора сточения требований, предъявляемых к цифровому управлению производством асфальтобетонных дорожно-строительных материалов [15].

Главная функция поверхностно-активных эмульгаторов заключается в уменьшении поверхностного натяжения водно-битумной эмульсии и предотвращении обратного слипания микрокапель. Следует отметить, что физико-химические характеристики эмульгаторов достаточно сильно влияют на свойства битумной эмульсии: вязкость, агрегатную устойчивость, способность к разрушению и адгезию. Битумные эмульгаторы подразделяются на анионные, катионные, неионные в зависимости от состава функциональной группы [16].

Наиболее распространенными в приготовлении водно-битумных дорожных эмульсий вначале были анионные эмульгаторы, но, начиная с середины ХХ века, в крупнотоннажном производстве более широко используются катионные эмульгаторы (3/4 объема битумных эмульсий составляет катионные) [17]. Дифильные молекулы эмульгаторов состоят из полярной (гидрофильная «головка») и гидрофобной (неполярный «хвост») частей; неполярная часть ориентирована к битумному компоненту, а гидрофильная часть – к водной фазе (рис. 2).

Синергетическое воздействие дифильных молекул эмульгатора объясняется тем, что, сосредотачиваясь на поверхности раздела двух жидких фаз, образующих микрогетерогенную водно-битумную эмульсию, они препятствуют обратному слиянию (коалесценцию) битумных микрокапель за счет двойного электрического слоя. Электростатическое отталкивание и наноструктурные характеристики двойного слоя оказывают сильное влияние на устойчивость и вязкость битумной эмульсии. В дорожном строительстве и реконструкции транспортных магистралей чаще применяются в синергетическом усилении универсальные эмульсии катионного вида. Катионные эмульгаторы – алкиламины с углеводородной цепью из 8–22 атомов (оптимальное число 12–14) углерода и первичных аминов (R–NH2), которые обеспечивают достаточно высокую адгезию битумного вяжущего к поверхности минеральных порошков и щебня кислой и основной природы.

Устойчивость технико-экономически эффективной водно-битумной эмульсии определяют по изменению однородности при хранении выдерживанием проб эмульсии в течение недели и месяца. Стабильность при транспортировке определяют после 2 часов встряхивания навески водно-битумной эмульсии,

Рис. 2. Схема образования битумной эмульсии: 1 – слои водной фазы, примыкающие к гидрофильной части эмульгатора; 2 – битумная микрокапля, адсобирующая гидрофобную часть эмульгатора; 3 – молекулы эмульгатора

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ при этом не должно происходить межфазного необратимого разделения на битум и воду. Нормативное технологическое определение свойств битумного компонента, выделенного из эмульсии, совершается после испарения воды; глубина проникания и величина растяжимости не должны уменьшаться более чем на 15 % показателей исходного битума.

Достаточно условная классификация битумных микродисперсных эмульсий осуществляется по типу эмульгаторов: анионные, катионные и др.; в зависимости от кинетической скорости распада при смешивании с минеральным порошком и щебнем: быстро-, средне-, медленнораспадающиеся; модифицированные (добавление комплементарных полимеров) не-модифицированные и др. Например, марка ЭБПДК Б обозначает эмульсию битумно полимерную дорожную катионную быстрораспадающуюся.

Для технологичного приготовления дорожных эмульсий используют битумы нефтяные дорожные (БНД) марок БНД 200/300, БНД 90/130, БНД 60/90, БНД 40/60; соответствующую марку битума выбирают с учетом климатических условий района строительства и технологичной конструкции синергетического усиления дорожного покрытия. Например, для устройства автомагистралей в Республике Башкортостан, где зимой наблюдаются температуры ниже –20°С, применяются битумы нефтяные дорожные БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300.

Для синергетического улучшения технологических характеристик водно-битумную эмульсию модифицируют полимерными нанодобавками (латекс, полиэтилен, эпоксидная смола, синтетический каучук, синтетическая смола и др.). Агрегативная модификация водно-битумной эмульсии макромолекулярными нанокомпонентами осуществляется двумя способами: введением модифицирующей добавки в водную фазу эмульсии или непосредственно в эмульсию в процессе ее приготовления; эмульгированием модифицированного битума в полимине-ральных дисперсиях [18].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Битумные дорожные эмульсии относятся к коллоидным эмульсиям, где микрогетерогенная битумная фаза распределена в водной дисперсионной среде в виде микрокапель с размером от 1 до 10 мкм (основную долю составляют битумные микрокапли диаметром 2–4,5 мкм). На рис. 3 представлена оптическая микрофотография (микроскоп Axio Scope. A1) микроструктуры битумных эмульсий (количество битума дорожного БНД 70/100 составляет 61%, эмульгатора Синтерол – 1,8 %).

Водно-битумные эмульсии образуются в результате двух конкурирующих процессов: дробления (тон-

Рис. 3. Микрофотография водно-битумной эмульсии (увеличение в оптическом микроскопе ×1000)

кого диспергирования) и коалесценции (слияния) микрокапель битумной дисперсной фазы. Адсорбция дифильных молекул эмульгаторов на поверхности раздела водно-битумных фаз и формирование двойного электрического слоя всегда протекает в течение определенного времени. Отметим, что кроме присутствия эмульгаторов, на устойчивость битумных эмульсий влияют: температура, минерализация и кислотность водной фазы, концентрация микрокапель дисперсной фазы и их размеры, броуновское хаотическое движение, плотность, вязкость и др.

Контролируемый распад водно-битумной эмульсии – кинетический процесс выделения битумного компонента из эмульсии после нанесения на поверхность дорожного покрытия автомагистралей или объединения битумной эмульсии и минерального материала – также корректно интерпретируется в рамках фрактального анализа. Синергетическая микроструктура асфальтобетонных покрытий, которая формируется комплементарным взаимодействием в приграничных слоях битумного вяжущего с поверхностью минерального компонента, определяется доминирующим взаимодействием взаимодополняемых факторов. В большинстве случаев каменные материалы: минеральные порошки и щебни – имеют отрицательные поверхностные заряды, а положительно заряженный эмульгатор притягивается электростатически к синергетическому заполнителю, вызывая контролируемый распад водно-битумной эмульсии (рис. 4). Синергетическое улучшение технологических характеристик дорожного асфальтобетона возникает в результате формирования непрерывных пленок адсорбированного битума.

Особенностью технологии устройства износостойких поверхностных обработок автомагистралей с использованием эмульсионно-минеральных смесей является необходимость нахождения оптимального диапазона времени контролируемого распада водно-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 4. Схема распада битумной микродисперсной эмульсии: 1 – водная фаза; 2 – битумная микрокапля; 3 – минеральный порошок; 4 – молекулы эмульгатора, 5 – пленка адсорбированного битума

битумной эмульсии в используемой композиции, т.е. времени от момента приготовления смеси до достижения твердофазного состояния. Контролируемая деградация эмульсии должна проходит после распределения синергетической эмульсионно-минеральной смеси по поверхности асфальтобетонного покрытия: при более быстром распаде преждевременно жидкофазный компонент загустеет в асфальтоукладчике и станет неудобоукладываемым, а при более медленном – жидкая битумная композиция стекает с поверхности дорожного покрытия.

Катионные битумные эмульсии по кинетической скорости распада при обработке минеральных взаимодополняемых материалов подразделяются на: быстрораспадающиеся водно-битумные эмульсии – деструкция в течение 5–15 минут, среднераспадаю-щиеся – несколько часов – и медленнораспадающи-еся – 1–2 сутки [19]. Для определения кинетической скорости распада быстрораспадающихся водно-битумных микродисперсных эмульсий рекомендуется использовать кварцевый порошок с массовой долей менее 50%. Нормативная стабильность битумной дорожной эмульсии при транспортировании по технологическим характеристикам должна быть не менее 2 ч. При оптимальном составлении асфальтобетонных эмульсий необходимо учитывать стабильность при хранении; бимодальные эмульсии, хотя они имеют меньшую вязкость, чем мономодальные аналоги, обладают более высокой устойчивостью при хранении и транспортировании [20].

ОБСУЖДЕНИЕ

Дорожное покрытие транспортных автомагистралей воспринимает непосредственное воздействие физико-механической нагрузки, атмосферных факторов и обусловливает важнейшие эксплуатационные качества автодорог, при возведении которых использовались синергетические битумные микро-дисперсные эмульсии. Прогнозирование долговечности асфальтобетонных дорожных покрытий является достаточно существенной проблемой, так как связано с многообразностью трудно поддающихся аналитическому математическому описанию факторов внешнего воздействия (наземного транспортного, погодных условий и др.), недостаточно полно изученными внутренними физико-химическими процессами структурирования в композиционном асфальтобетоне. Перспективным для интерпретации эволюции асфальтобетонного дорожного покрытия автомагистралей, конструированных с использованием водно-битумных эмульсий, является синергетическая концепция [21].

Синергетическое усиление технологических характеристик асфальтобетонных покрытий, которое формируется взаимодействием в приграничных слоях битумного структурированного вяжущего с поверхностью минерального компонента, определяется доминирующим взаимодействием взаимодополняемых факторов. Фрактальные концепции долговременной прочности асфальтобетона дорожного покрытия автомагистралей отражаются в показателях степенной зависимости нелинейного деформирования под нагрузкой, характеризуя энтропийную природу упругости и кинетику повреждаемости или скрытого разрушения микроструктуры от нагрузки. Долговременная прочность асфальтобетонного покрытия характеризуется энергией активации, определяющей термофлуктуационный разрыв битумных связей на наноуровне, а также фрактальной размерностью микроструктуры асфальтобетона, определяющей степенные закономерности при деформировании под нагрузкой [22]. Критерием оптимального выбора синергетической технологии устройства защитных износостойких слоев асфальтобетонных дорожных покрытий с применением водно-битумных

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ эмульсий является обеспечение безопасного движения наземного транспорта в течение нормативного срока эксплуатации [23, 24].

В 2020 году ежегодное мировое производство и использование битумных эмульсий в дорожном строительстве составляло более 7 млн тонн (США – 33% и Франция – 16%), в Российской Федерации произведено около 250 тысяч тонн. При выборе типа и марки водно-битумной эмульсии в процессе синергетического улучшения технологических характеристик дорожных покрытий главным образом следует принимать во внимание назначение микро-дисперсных эмульсий.

Основным преимуществом использования воднобитумных микродисперсных эмульсий по сравнению с традиционными (горячими, разжиженными) дорожными битумами является взаимодополняющее обеспечение [25]: достаточно полное сцепление отрицательно заряженной поверхности основания автодороги с положительно заряженной катионной эмульсии; технологичное производство битумных эмульсий позволяет варьировать качественный состав и требуемые характеристики; использование битумных эмульсий при температурах от 30°С до 70°С является более безопасным и уменьшает энергопотребление на 40–50%; допускается разлив битумных эмульсий на увлажненные поверхности с формированием прочной и водостойкой битумной пленки на комплементарной поверхности минеральных заполнителей. Кроме того, следует отметить технологическую экологичность многотоннажного приготовления и использования водно-битумной эмульсии: в атмосферу выделяется минимальный объем таких токсичных веществ, как горячий и разжиженный битум, производство становится также пожаро- и взрывобезопасным.

Дорожно-строительная отрасль Российской Федерации начала 21 века характеризуется масштабной трансформацией нормативных документов (ГОСТ 18689-81, 52128-2003, 58952.1-2020), регламентирующих требования к строительству и эксплуатации скоростных автомагистралей, которые, в основном, представлены отдельными участками федеральных трасс. Перевод в жидкотекучее состояние – эмульгирование водно-битумных вяжущих – при температуре окружающей среды требует стабильности при хранении и транспортировке. Одним из сдерживающих факторов для применения ресурсосберегающих нанотехнологий в России является отсутствие производства эффективных отечественных катионак-тивных эмульгаторов и высокая стоимость импортных аналогов. Однако для производства эмульгатора предложено достаточно недорогое и доступное сырье: полиамидамины и продукты, содержащие жирные кислоты.

Для синергетического приготовления литых эмульсионно-минеральных смесей автодорожного назначения следует применять медленнораспада-ющиеся катионные битумные или битумно-поли-мерные эмульсии [26]. Комплементарное введение стирол-бутадиеновых латексов до 5% не оказывает существенного влияния на однородность и устойчивость водно-битумных эмульсий: наиболее эффективным является латекс СКС-65ГП, поскольку более 90% ультрадисперсных частиц имеют размер менее 100 нм [27]. Добавление стирол-бутадиеновых латексов оказывает позитивное синергетическое влияние на основные технологические характеристики водно-битумных композиций, что проявляется в существенном увеличению теплостойкости до 100°С, морозостойкости до –15°С, эластичности до 44%, температуры размягчения и твердости.

Водно-битумные эмульсии термодинамически неустойчивы – для них характерна фрактальная агрегация микрокапель дисперсной фазы и протекание процессов обратной седиментации, коалесценции. Отметим, что, в свою очередь, битумные вяжущие являются нефтяными нанодисперсиями, свойства которых определяются наночастицами дисперсной фазы и углеводородной дисперсионной средой [28]. Многотоннажные битумные дорожные микроди-сперсные эмульсии по ГОСТ Р 58952.1-2020 подразделяются на: эмульсии битумные анионные (ЭБА) и эмульсии битумные катионные (ЭБК).

На сегодняшний день предложены разнообразные способы использования водно-битумных эмульсий для производства дорожных работ в качестве структурированного комплементарного вяжущего; рекомендуемые области употребления марок битумных дорожных эмульсий приведены в табл. 1.

Из данных табл. видно, что наиболее часто воднобитумные микродисперсные дорожные эмульсии используются при синергетической подгрунтовке перед нанесением верхнего слоя асфальтобетона, ямочном ремонте и жидкофазной поверхностной обработке дорожных покрытий. Для комплементарного укрепления откосов грунтовых насыпей автодорог большой крутизны и из глинистых слабых грунтов рекомендуется использовать водно-битумные эмульсии ЭБА-3 с концентрацией битума 50–55%; при песчаных откосах битумная фаза составляет 40–50%.

Следует отметить, что по синергетической эффективности смешивания с различными минеральными заполнителями выделяют классы воднобитумных эмульсий: катионные (ЭБК-1, ЭБК-2 и ЭБК-3) и полимер-модифицированные эмульсии (ЭБПК-1, ЭБПК-2, ЭБПК-3); анионные (ЭБА-1, ЭБА-2 и ЭБА-3). Марки классов ЭБК-1 (ЭБПК-1), ЭБК-2 (ЭБПК-2), ЭБК-3 (ЭБПК-3) соответствуют быстрой, средней и медленной скорости распада при

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Таблица 1

Технологически рекомендуемая область применения различных марок дорожных битумных микродисперсных эмульсий

Марка эмульсии Сфера использования водно-битумных эмульсий ЭБК-1 ЭБПК-1 Подгрунтовка (разлив жидкофазной битумной эмульсии) дорожных покрытий транспортных магистралей, устройство защитной поверхностной обработки. ЭБК-2 ЭБПК-2 Технологичное устройство верхних слоев дорожных покрытий методом пропитки; оптимизированная технология приготовления черного щебня и пористых щебеночных смесей; ямочный ремонт выбоин автодорог. ЭБК-3 ЭБПК-3 Устройство тонкослойных шероховатых слоев износа дорожных покрытий; технологичное изготовление плотных водно-битумных эмульсионно-минеральных смесей, в том числе грунтовых; укрепление откосов. ЭБПА-1 Жидкофазная подгрунтовка; укрепление поверхности откосов земляного полотна; устройство износостойкой поверхностной обработки. ЭБА-2 ЭБПА-2 Технологический уход за свежеуложенным цементобетонном дорожным покрытием; приготовление черного щебня и щебенистых пористых смесей из карбонатных пород; устройство дорожных покрытий методом пропитки. ЭБА-3 ЭБПА-3 Оптимизированное изготовление эмульсионно-минеральных смесей плотного состав обязательным введением 1–2% извести или 2–3% цемента; закрепление подвижных песков и слабых грунтов верхних слоев земляного полотна. смешивании дорожных битумных микродисперсных эмульсий с минеральными комплементарными материалами различного гранулометрического состава.

Взаимодополняющие компоненты в составе водно-битумной эмульсии марок ЭБК выполняют синергетические функции: улучшение комплементарной адгезии; достижение нужной консистенции; улучшение технологичных характеристик износостойкости, пластичности, морозоустойчивости путем супрамолекулярного улучшения полимерными нанокомпозитами [29] дорожного покрытия транспортной инфраструктуры. Независимо от скорости распада марки водно-битумных эмульсий они имеют примерно одинаковую концентрацию битума, вязкости, растяжимости, температуру размягчения. Технологические отличия проявляются в способности комплементарно смешиваться с частицами плотных (гравий, щебень) и пористых (керамзитовый гравий) минералов: марка водно-битумной эмульсии ЭБК-3 является универсальной для перемешивания, марка ЭБК-1 для этого малопригодна, ЭБК-2 хорошо взаимодействует с пористым наполнителем.

Комплементарная особенность использования водно-битумной эмульсии марок ЭБК состоит в том, что после нанесения составляющие компоненты разделяются на два слоя: вода испаряется, а битумное вяжущее затвердевает, образуя прочную битумную пленку на синергетической поверхности минерального заполнителя с требуемыми эксплуатационными характеристиками [30]. Электрокинетическая скорость контролируемого распада обусловливает оптимальную сферу использования марки водно-битум- ной эмульсии: ЭБК-1 используется для жидкофазной обработки поверхностного слоя дорожных защитных покрытий для улучшения сцепления; для грунтования слоев асфальтобетона, для улучшения сцепления между ними; для пропитки щебеночных слоев при укладке дорожного полотна, а также в процессе ремонта ям. Марка ЭБК-3 используется для создания защитного слоя дорожного покрытия с любым минеральным заполнителем, а ЭБК-2 применяется для технологичного конструирования оптимальной смеси с пористым минеральным наполнителем.

Минеральная часть эмульсионно-минеральных смесей, используемых для устройства поверхностных обработок, синергетически подбирается по технологическому принципу и состоит (для щебеночных смесей) из щебня фракции 5–10 или 5–15 мм (дробленых) или смеси природной фракции 2–5 мм и (дробленого) песков и минерального порошка. Оптимальное количество щебня и технологичное соотношение природного и дробленого песков в оптимизированных эмульсионно-минеральных смесях выбирается в зависимости от гранулометрических составов и требуемого коэффициента сцепления дорожного покрытия автомагистралей. Комплементарный минеральный порошок добавляют в эмульсионно-минеральную смесь в таком количестве, чтобы содержание частиц мельче 0,071 мм составляло 5–15%.

Кроме вышеуказанных минеральных материалов в литых эмульсионно-минеральных смесях могут быть синергетически использованы техногенные отходы: зола-шлак, известьсодержащие материалы и др. [31–33]. Рациональная замена высокопроч-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ных дорогостоящих каменных материалов местными грунтами, армированными укрепляющими вяжущими на основе отходов производства в конструктивных слоях покрытий для автодорог IV и V категорий, позволяет уменьшить не только стоимость дорожного строительства на 30–50%, но и техногенную нагрузку на окружающую экологическую среду регионов Российской Федерации.

В Башкортостане завод «Ремстройдормаш» (г. Уфа) производит водно-битумные эмульсии ЭБДК-Б (ЭБК-1), ЭБДК-Сэмульсия (ЭБК-2), ЭБДК-М (ЭБК-3) для ямочного ремонта, подгрунтовки и ресайклирования. Современное оборудование позволяет с использованием качественных синергетических ингредиентов производить до 10 тонн битумных микродисперсных эмульсий в час. Завод «Ремстройдормаш» разливает водно-битумную эмульсию в бочки по 200 литров для удовлетворения потребностей малых предприятий, которые занимаются ремонтом автодорог, парковок, придомовой территории на небольших площадях, где использование гудронатора экономически нецелесообразно. Отметим, что малые подрядные организации из соображений уменьшения стоимости дорожного строительства изготавливают эмульсии на своих участках, закупая дорожный битум на ближайших нефтеперерабатывающих заводах (в Уфе, в Салавате). В этом случае, конечно, трудно соблюдать нормативные технологические требования качественного синергетического приготовления водно-битумных эмульсий.

В рамках достижения технологического суверенитета Российской Федерации в качестве импортозамещающих катионных эмульгаторов рекомендуется использовать четвертичные соли аммония (например, алкилтриметиламмоний хлорид) в количестве 0,2–0,5% к массе воды. Имеются обнадеживающие результаты использования битумных микродисперс-ных эмульсий в технологии укрепления слабых грунтов дорожного полотна.

Наиболее производительной технологией синергетического укрепления грунтовых насыпей и реконструкции транспортных автомагистралей битумными микродисперсными эмульсиями является использование специализированных машин – ресайклеров. Более универсальными и технико-экономически выгодными ресайклерами являются дорожные машины с одним рабочим органом фрезерно-роторного типа, которые оснащаются датчиками скорости движения и дозированной системой подачи водно-битумной микродисперсной эмульсии (рис. 5).

Оптимальную поверхностную обработку из щебеночных эмульсионно-минеральных смесей рекомендуется устраивать для обеспечения требуемого коэффициента сцепления на аварийных частях автомобильных дорог, а из песчаных эмульсионно-

Рис. 5. Схема функционирования дорожного ресай-клера: 1 – впрыскивание битумной эмульсии;

2 – направление движения; 3 – фрезерно-смеши-вающий барабан; 4 – разрушенный асфальтобетонный слой; 5 – дорожное полотно; 6 – ресай-клированный слой автомагистрали минеральных смесей – на участках транспортных автомагистралей с затрудненными условиями движения и в качестве защитного износостойкого слоя. Для синергетического устройства поверхностной обработки дорожных покрытий транспортной инфраструктуры следует применять эмульсионно-минеральные смеси литой консистенции, состоящие из минеральных материалов (щебня, песка, минерального порошка) и катионной водно-битумной микродисперсной эмульсии.

Следует также отметить, что дорожные покрытия в процессе технологической эксплуатации находятся под воздействием множества разнонаправленных факторов: грунтово-геологических и гидрологических условий, рельефа местности, погодно-климатических и физико-механических, обусловленных сверхнагрузками от большегрузного автотранспорта. Критические изменения водно-теплового режима дорожного полотна существенно влияют на прочность, синергетическую долговечность автодороги и приводят к уменьшению транспортно-эксплуатационных характеристик скоростных автомагистралей. На наноуровне асфальтобетонного покрытия порядка 10–7–10–9 м происходит ускоренный процесс разрыва химических связей между атомами битумной вяжущей, что ведет к резкому ухудшению адгезионных и когезионных характеристик [34, 35]. Известные на сегодняшний день методы технологического мониторинга дорожных покрытий имеют определенные границы применимости, поэтому синергетический подход дополняет и объединяет комплементарные факторы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ)

Асфальтобетонное дорожное покрытие является нелинейной системой, и изменение его эксплуатаци-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ онных технологических характеристик сопровождается неаддитивными синергетическими эффектами. Синергетическое усиление технологических характеристик дорожных покрытий добавлением в состав битумных микродисперсных эмульсий обеспечивает альтернативный подход, при котором битум разжижается путем диспергирования в воде; является оптимальным решением проблем интенсивного строительства и реконструкции автодорог России. Водно-битумные микродисперсные эмульсии с микрокаплями диаметром 2–4,5 мкм рекомендуются в востребованной технологии комплементарного укрепления слабых грунтов дорожного полотна скоростных автомагистралей.