Углеродные наноматериалы для дорожного строительства

DOI:

Развитие фундаментальных и прикладных представлений о наноматериалах и нанотехнологиях уже в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих сферах: материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении, медицине, сельском хозяйстве, экологии. Не обойдет этот процесс и область строительства, и, в частности, дорожно-транспортную сферу.

В соответствии с положениями Федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России» [8] и «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года» [7] одно из стратеги- ческих пересечений национальных автомагистралей (транспортных коридоров) «Север-Юг» и «Запад-Восток» будет располагаться в районе Волгограда. Стратегическое пересечение международных транспортных коридоров в районе г. Волгограда даст толчок к устройству новых транспортно-коммуникационных объектов. Кроме того, перспективы проведения в Волгограде чемпионата мира по футболу в 2018 г. ставят в число первоочередных задач модернизацию имеющихся и строительство новых автомобильных дорог в городе и области.

Планируемое существенное развитие и модернизация дорог России и Волгоградского региона требует расширения направлений научных исследований для дорожно-транспортного комплекса. Они должны быть направлены на развитие теории транспортных потоков, повышение безопасности движения и прежде всего на применение оригинальных методов развития и модернизации дорог, внедрение современных технологий и дорожностроительных материалов. В Волгоградской области законодательно установлены правовые основы инновационной деятельности, что позволяет обеспечить условия для изменения структуры экономики с учетом внедрения новейших технологий. Это касается и сферы автодорожного комплекса. В 2020 г. Волгоградская область должна укрепить свои позиции как регион инновационных технологий. Волгоградская область должна стать достойной площадкой для продвижения и внедрения проектов, которые затем найдут применение в других субъектах Российской Федерации. За счет проведения эффективной политики Волгоградская область должна занять лидирующие позиции по инвестиционной и инновационной привлекательности с развитой многоотраслевой, сбалансированной экономикой, основу которой составят высокотехнологичные отрасли промышленности и сельского хозяйства, а также использование нанотехнологий в отраслях [6].

Свыше 280 км магистралей на территории Волгоградской области включено в трехлетний план (2015–2017 гг.) дорожного строительства, реконструкции и ремонта. На эти цели направят 18,6 млрд рублей. Таких масштабных дорожных работ в последние годы на территории города и области не проводилось. В декабре 2014 г. была сформирована стратегия развития дорожной инфраструктуры на ближайшую перспективу. В этот план включены все основные магистрали города и области. Так, в период с 2015 по 2017 г. планируется построить 120 км новых дорог, 11 – полностью модернизировать и 156 – охватить капитальным ремонтом. В перечень вошли все объекты Волгограда, предусмотренные программой подготовки к Чемпионату мира по футболу. В планах по областным магистралям предусмотрено два главных направления работы. Первое – прокладка подъездных путей к отдаленным селам. За счет федеральной программы и региональной поддержки за три года будет построено 33 таких объекта протяженностью 108 км. Другим приоритетом станет ремонт областных трасс – за счет регионального дорожного фонда к 2017 г. в порядок приведут 79 км автомагистралей [6].

Для того чтобы реализовать намеченные планы, в дорожном строительстве необходимо применять новые технологии, позволяющие создавать качественное дорожное покрытие. Экономика требует появления новых материалов в этой отрасли с новыми повышенными физико-механическими свойствами. Нами разработана технология создания сверхпрочного дорожного покрытия с использованием углеродного наноматериала. В данной статье представлены основные принципы создания нового дорожного материала.

Основные принципы технологии создания сверхпрочного дорожного покрытия

На сегодняшний день в дорожном строительстве используют несколько типовых конструкций дорожных одежд, представленных на рисунке.

Асфальтобетонные покрытия в зависимости от типа оснований и требований движения устраивают в один, два или три слоя. Верхний слой должен обладать прочностью, износоустойчивостью и водонепроницаемостью. Этим условиям соответствуют мелкозернистые и песчаные смеси, содержащие минеральный порошок. Каждая асфальтобетонная смесь включает в себя минеральные составляющие (щебень, песок) и органические вяжущие составляющие (битум). Составляющие асфальтобетонной смеси перемешиваются в нагретом состоянии. Иногда в состав асфальтобетонной массы одновременно с битумом вводят поверхностно-активную добавку или наполнители. Добавки представляют собой органические и неорганические вещества или их комплексы, за счет введения которых в состав асфальтобетонной смеси направленно и контролируемо регулируются свойства смеси. Добавки применяются для снижения затрат на строительство (в том числе экономии цемента), модификации качественных и функциональных характеристик асфальтовых покрытий.

а – цементобетонное покрытие; б – асфальтобетонное покрытие на щебеночном основании;

в – асфальтобетонное покрытие на бетонном основании; г – асфальтобетонное покрытие на грунте, укрепленное цементом; д – щебеночное покрытие с верхним слоем, обработанным методом пропитки; е – гравийное покрытие, обработанное битумом методом перемешивания на дороге; ж – гравийное покрытие на дороге низкой категории;

1 – цементный бетон; 2 – выравнивающий слой из песка, обработанного битумом; 3 – слой щебня, гравия или грунта, обработанного вяжущим; 4 – морозозащитный слой из песка; 5 – мелкозернистый асфальтобетон;

6 – слой щебня; 7 – крупнозернистый асфальтобетон; 8 – грунт, укрепленный цементом;

9 – щебень, обработанный пропиткой; 10 – гравий, обработанный битумом; 11 – гравий

Примечание. Составлено по: [1].

Реальные свойства асфальтобетона не остаются постоянными, так как внешние условия могут быстро изменяться, а вместе с ними должны изменяться и свойства покрытия из асфальтового бетона. При обычной температуре (20–25 °С) четко проявляются упруго- и эластично-вязкие его свойства, при повышенных температурах – вязкопластичные, а при пониженных, отрицательных температурах асфальтобетон становится упругохрупким телом. Но он чувствительно реагирует не только на колебания температуры, но также на изменение скорости приложения механических усилий (нагрузки) или скорости деформирования. Чем выше значения скорости, тем при более высоких напряжениях разрушается асфальтобетон.

В производственных работах обычно механическую прочность асфальтобетона характеризуют пределом прочности при сжатии образцов, испытанных при заданных температуре и скорости приложения нагрузки. При температуре 20 °С предел прочности при сжатии асфальтобетона составляет около 2,5 МПа, а при растяжении – в 6–8 раз меньше. С понижением температуры предел прочности при сжатии возрастает (до 15–20 МПа при –15 °С), а с повышением – снижается (до 1,0–1,2 МПа при +50 °С).

Получение асфальтобетонов нового поколения невозможно без применения качественного, высокопрочного и однородного по свойствам вяжущего, без внедрения эффективных технологических решений, без использования специальных добавок для модификации асфальтобетонных смесей.

Анализ общих сведений об асфальтобетонах и знания об упрочняющих характеристиках углеродных нанотрубок – уникального материала нанотехнологий – позволили предположить, что углеродные нанотубулярные материалы могут быть использованы для улучшения эксплуатационных характеристик асфальтобетонов, причем возможно осуществлять присадки нанотрубок как в горячий, так и в холодный битум.

Введение углеродных нанотрубок [6–9] в жидкий битум существенно повышает прочность и упругость получаемого асфальтового покрытия [2–4; 9]. Экспериментально установлено, что даже незначительные (0,005 % по массе) добавки углеродных нанотрубок увеличивают прочность битума при сжатии, что определяется по глубине вдавливания штампа в образцы. Важнейшим условием прочности и долговечности асфальтобетона является сцепление битума с поверхностью песка. Поскольку пески преимущественно кварце- вые, а адгезия битума к поверхности кварцевых зерен недостаточна, то нанотрубки, обладающие исключительно высокими адгезионными свойствами, обеспечат прочное сцепление битума с песком.

Способ упрочнения асфальтового дорожного покрытия углеродным наноматериалом осуществляется следующим образом [5]. За основу берут известный способ приготовления асфальтобетонной смеси по ГОСТ 912884 [1]. Смесь приготовляют смешением в нагретом состоянии щебня, природного дробленого песка, минерального порошка и нефтяного дорожного битума, взятых в соотношениях, определяемых требованиями указанного стандарта. При этом основным компонентом смеси является битум. Битумные вяжущие материалы, как правило, являются практически отходами процесса нефтепереработки. Поэтому важнейшей задачей модификации таких битумов становится улучшение их физико-механических и химических свойств. Для повышения долговечности и качества таких материалов используют введение в их состав различного рода добавок, позволяющих улучшить присущие битумам свойства и модифицировать их в необходимом для практики направлении. В предлагаемом способе это достигается добавлением в нефтяной битум углеродного наноматериала (однослойных и многослойных углеродных нанотрубок) и их совместным структурированием.

Уникальные углеродные нанотрубки представляют собой полые трубки из одного или нескольких слоев, выполненных из атомов углерода, с диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких микрометров. Таким образом, они, по сути, являются полыми волокнами, имеющими высочайшую прочность и абсолютную инертность по отношению к любым кислотам и щелочам. Углеродные нанотрубки имеют высокие модуль линейной упругости, прочность на разрыв, коэффициент теплопроводности (удельная прочность на растяжение – более 24 ∙ 104 мПа). Использование углеродных нанотрубок в качестве допирующего (армирующего) элемента позволяет создать новый композитный материал, обладающий уникальными свойствами и характеристиками, которые обеспечат его использование при производстве высококачественных и надежных в эксплуатации систем и материалов. Углеродные нанотрубки, обладающие рекордными механическими характеристиками, рассматриваются как эффективное средство повышения прочностных свойств композитных полимерных материалов. Введенные в асфальтобетонную смесь, нанотрубки ее армируют, превращая в композиционный материал. Нанотрубки ведут себя как «зародыши» кристаллов, но поскольку они имеют не точечную, а протяженную форму, кристаллы образуются вытянутые. Разрастаясь, кристаллы переплетаются, частично прорастают друг в друга и образуют пространственную сеть, пронизывающую и связывающую в единое целое всю асфальтобетонную смесь. Углеродные нанотрубки имеют чрезвычайно развитую поверхность: удельная поверхность материала нанотрубок достигает значений около 600 м2/г. Столь высокая удельная поверхность, в несколько раз превышающая удельную поверхность лучших современных сорбентов, обеспечивает исключительно высокие адгезионные свойства углеродных нанотрубок, что также привлекательно при создании новых асфальтобетонных материалов, обладающих высоким сродством к компонентам смеси. Проанализировав сведения об асфальтобетонах и знания об упрочняющих характеристиках углеродных нанотрубок, можно утверждать, что углеродные наноматериалы могут быть использованы для улучшения эксплуатационных характеристик асфальтобетонных смесей.

Для приготовления асфальтобетона был использован битум марки БНД 90/130. В качестве модификатора битума применялся углеродный наноматериал (УНМ) «Таунит» производства ООО «Нано Тех Центр» (г. Тамбов). Он представляет собой одномерные на-номасштабные нитевидные образования по-ликристаллического графита в виде сыпучего порошка черного цвета. Гранулы УНМ микрометрических размеров имеют структуру спутанных пучков многостенных углеродных нанотрубок. Количество вводимого углеродного наноматериала составляет 0,01– 0,005 % от массы битума. Исследовалось поведение механических характеристик образца. Получение модифицированного битума осу- ществлялось следующим образом. Битум нагревался до температуры 100 °С, затем в него добавляли необходимое количество УНМ и перемешивали в ультразвуковой мешалке в течение 6 часов для получения механически однородной смеси с равномерным распределением наноматериала. После этого битум в течение 10 часов охлаждали до окончания кристаллизации. Затем проводили испытания на механическую прочность на сжатие и изгиб. Проведенные исследования показали, что применение углеродного наноматериала приводит к повышению предела прочности при сжатии в 1,5–2 раза по сравнению с немодифицированным битумом. Предлагается использование полученного модифицированного углеродными нанотрубками битума для дальнейшего смешения с остальными компонентами асфальтобетонной смеси (щебень, песок) в миксере без изменения технологического процесса производства. Возможно введение углеродного наноматериала в процесс производства асфальтобетонных смесей на этапе механического перемешивания в миксере посредством одновременного внесения с жидким битумом в механический барабан, содержащий смесь песка и щебня. Повышенные прочностные свойства полученного модифицированного асфальтобетона в широком интервале температур могут предотвратить трещинообразование и повысить долговечность дорожного покрытия, что может компенсировать затраты на дополнительные технологические операции (добавление углеродного наноматериала в асфальтобетонную смесь). Полученный конечный материал – модифицированный асфальтобетон – обладает улучшенным комплексом прочностных свойств.

Заключение

Полученные по предложенной методике составы связующих на основе битумов, модифицированных углеродным наноматериалом (углеродными нанотрубками), могут быть использованы при устройстве покрытий и оснований на автомобильных дорогах всех категорий во всех дорожно-климатических зонах России. Техническим результатом является повышение прочности и упругости получаемого асфальтового покрытия, а также повышение водостойкости, теплостойкости и морозостойкости и расширение температурного диапазона его укладки в области отрицательных температур. Этот способ экономичен, эффективен и направлен на получение особо прочного материала, обладающего улучшенными физико-механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками. Его применение для автомобильных дорог дает экономическую выгоду в результате многократного увеличения срока службы дорожного покрытия без его ремонта и замены. Разработанная технология не требует приобретения дополнительного оборудования, так как углеродный наноматериал вводится в цикл производства асфальтобетонной смеси на этапе смешивания составляющих (щебень, песок, битум плюс углеродный наноматериал) в общем миксере. Снижение износа асфальтового покрытия, модифицированного углеродным наноматериалом, приведет к экономическому эффекту примерно в 600 млн руб. в год.