В первом материале нашего нового проекта «Движение вверх», который N + 1 выпускает в партнерстве с НИТУ «МИСиС», мы расскажем о новых российских разработках, обещающих технологический прорыв в строительстве и ремонте дорожных покрытий. Речь идет о создании бесклинкерного бетона и самозалечивающегося асфальта — новых материалов, способных сделать дорожное строительство менее затратным и более эффективным. Новые технологии пройдут испытание в полевых условиях в ходе предстоящего Чемпионата мира по футболу, который Россия будет принимать в этом году.
О чем проект?
Целиком проект посвящен разработке высокотехнологичных материалов для дорожного строительства. В основном это касается бетона и асфальта. Дело в том, что производство цемента — основного вяжущего вещества для бетона — сопровождается значительными затратами ресурсов и энергии и очень неэкологично. Так, для получения одной тонны цемента требуется около полутора тонн исходного сырья. При этом ключевая стадия производства — прокаливание смеси известняка и глин при температуре около 1450 градусов, в результате чего получается так называемый клинкер, который затем перемалывают и перерабатывают в цемент. Если учесть общие энергозатраты, то выходит, что на каждую тонну готового цемента вырабатывается несколько тонн углекислого газа.
Кстати, давайте сразу разберемся с терминологией, чтобы дальше не было путаницы: бетон — это искусственный материал, который получается в результате застывания определенной смеси. В общем случае эта смесь должна как минимум включать наполнитель — песок или щебень — и вяжущее вещество. Примерами вяжущих являются цемент и битум: при использовании первого получается привычный нам строительный бетон характерного серого цвета, а из битума, песка и щебня получается асфальтобетон, который используют в качестве дорожного покрытия. Кроме того, в этом материале пойдет речь о «грунтобетоне», в котором значительную часть смеси составляет грунт.
Даже на первый взгляд видно, что у бетона и асфальта хватает отличий: один после затвердевания превращается в некое подобие камня и обратному преобразованию уже не подлежит, другой больше похож на «вязкий щебень» и даже немного плавится на солнце. Эти свойства легко объяснить: цемент после контакта с водой необратимо меняет свои свойства, прочно связывая наполнитель в монолитную конструкцию, тогда как битум — это по сути просто очень густая смола, поэтому горячий асфальтобетон хорошо формуется и никогда не застывает «намертво». А дальше оказывается, что даже на таких очевидных свойствах этих материалов можно сыграть, если подойти к вопросу творчески.
Другая сторона медали — это наличие в индустрии огромного количества отходов, по своим свойствам очень близких к цементу. Речь идет прежде всего о металлургических шлаках и шламах, а также золе уноса — мелкой зольной пыли, выбрасываемой теплоэлектростанциями при сжигании молотого угля. Идея получения бесклинкерных вяжущих средств из перечисленных промышленных отходов существует довольно давно и в том или ином виде реализуется по всему миру, однако окончательной победы на этом фронте достигнуть еще не удалось, поэтому бесклинкерные компоненты в лучшем случае составляют лишь долю в общей цементной смеси.
Исследователи из НИТУ «МИСиС» недавно предложили новый подход к проблеме синтеза вяжущих веществ, аналогов цемента: высокотехнологичный метод обработки металлургических шлаков, который позволяет получить вяжущее вещество, частично даже превосходящее «золотой стандарт» — портландцемент марки М500. Основное новшество этой технологии — обработка шлака в аппарате вихревого слоя, в котором ферромагнитные «жернова» закручиваются во вращающемся магнитном поле и быстро перемалывают шлак в порошок с диаметром зерен до нескольких микрон. При добавлении золы уноса такой материал приобретает вяжущие свойства, сопоставимые с клинкерным цементом, при этом эквивалентные затраты ресурсов и энергии оказываются несопоставимо меньше.
Другая, не менее важная, составляющая часть проекта по созданию технологичных дорожных материалов — это так называемые «самозалечивающийся» асфальт. Конечно, речь пока не идет о дорожном полотне, которое после февральских морозов само в себе заделает полуметровые дыры, но и эта идея уже не так далека от реальности. В рамках же существующего проекта авторы предложили добавлять в асфальтобетонную смесь небольшое количество углеродных нанотрубок, которые при дальнейшем ремонте можно будет нагреть микроволновым излучением. Битум, скрепляющий асфальтобетон, расплавится, и таким образом можно будет устранить микротрещины в дорожном полотне.
Кто придумал этот проект?
Разработка новых материалов дорожных покрытий в основном принадлежит коллективу Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» под руководством Д.В. Кузнецова и С.Л. Мамулата. Авторы совместили научную базу, имеющуюся в университете, с опытом и компетенцией в сфере применения наукоемких методов и материалов в смежных отраслях — наноиндустрии, металлургии. В итоге удалось не только опубликовать или запатентовать научную составляющую новых разработок, но и найти конкретные проекты для их применения и тестирования в полевых условиях. Так, с участием специалистов Центра энергоэффективности были выполнены инженерные разработки для реконструкции аэродрома ЛИИ имени Громова в Жуковском, а также планируется использовать эти технологии в рамках проекта «Один пояс и один путь», выдвинутого председателем КНР Си Цзиньпинем. Кроме того в рамках подготовки к Чемпионату мира по футболу 2018 года будет создано несколько участков дорог с самозалечивающимся покрытием.
А что, раньше ничего такого не было?
Кажется, в технологии дорожного строительства, а также производства бетонов и асфальтов было уже все, причем еще лет сто назад. Но это только так кажется. Как мы уже говорили, идея применения отходов вместо дорогостоящего цемента не нова, но в полной мере реализовать ее пока никому и не удалось. В современном российском ГОСТе по производству цементов допускается содержание шлаков и/или золы уноса в объеме не более чем 65 и 60 процентов соответственно, и только лишь для некоторых категорий продукции. Во многом такая ситуация обусловлена отсутствием наукоемких подходов в этой области, поэтому предложенный метод с использованием аппарата вихревого слоя представляет собой качественно новое решение.
Что касается самозалечивающегося асфальта, то эта технология появилась сравнительно недавно, отпочковавшись от более широкой идеи проводящего электрический ток бетона. Предполагалось, что такие материалы будут использованы для удаления льда с дорожного полотна. Начиная с 2010 года стали появляться научные работы, в которых исследуются механизмы индукционного нагрева асфальта с добавками проводящих волокон, и именно в этом месте кроется ключевое отличие подхода, предложенного в НИТУ «МИСиС», от аналогичных разработок.
Чаще всего в качестве проводящего компонента в асфальтобетоне используются металлические волокна, в основном — стальная проволока. Несмотря на хорошие токопроводящие свойства и высокую эффективность, этот материал подвержен значительной деградации и вообще создает довольно много проблем при подборе других компонентов асфальтобетонной смеси. В качестве альтернативы исследователи из НИТУ «МИСиС» предложили заменить металлические волокна на многостенные углеродные нанотрубки. Их требуется всего 17 грамм на тонну асфальтобетона, и при этом они менее подвержены влиянию климата. Кроме того, оказалось, что углеродные нанотрубки улучшают пластичность смеси, за счет чего она легче поддается укладке. Основной трудностью при разработке этой технологии было заставить нанотрубки не сворачиваться в клубки, а равномерно распределяться по образцу, но в результате эту задачу удалось решить.
Кому это вообще нужно?
Основная сфера применения обеих разработок — строительство и ремонт дорог, которые благодаря новым материалам станут более дешевыми и технологичными, особенно в удаленных регионах.
Первая технология, бесклинкерные вяжущие вещества, создавалась главным образом для укрепления грунтов при подготовке к укладке дорожного полотна. Дело в том, что любые природные грунты в той или иной мере обладают подвижностью и/или недостаточной прочностью, чтобы их в первозданном виде можно было использовать в строительстве. Поэтому существует обширный спектр методов укрепления грунтов: армирование, вибрационная «утрамбовка», замораживание, а также укрепление при помощи вяжущих средств (цементирование). В последнем случае новые бесклинкерные вещества особенно перспективны за счет своей высокой эффективности в сочетании с низкой стоимостью.
Кроме того, оказалось, что эти материалы не так требовательны к наполнителю: песку и щебню. Если в случае с марочным цементом при дорожном строительстве требуется завозить песок и щебень определенной чистоты, то новые бесклинкерные вяжущие средства можно использовать даже с наполнителем из местного грунта, что удешевляет и ускоряет строительный процесс.
Самозалечивающийся асфальт также ускоряет процедуру ремонта полотна. Многим известно, как обычно выглядит дорожное покрытие после зимнего сезона, особенно если температура долго прыгала вблизи отметки в ноль градусов. Такие колебания приводят к тому, что растаявшая вода заполняет микротрещины в асфальтобетоне, а затем, замерзая, разрывает их края. Чем больше таких циклов пройдет за зиму, тем больше ям появится весной и тем глубже они будут. Зачастую их ремонтируют упрощенным способом, то есть устраняя дефекты точечно, без замены всего полотна, что не решает главную проблему: наличие микротрещин в покрытии. Если вместо этого использовать индукционный ремонт, то устраняются именно микротрещины, то есть непосредственная причина разрушения асфальтобетона.
И какая там наука?
Главным ноу-хау разработчиков стало применения аппарата с вихревым слоем ферромагнитных элементов. Это устройство представляет собой камеру, в которую помещены цилиндрические ферромагнитные стержни, хаотично движущиеся во вращающемся магнитном поле. Такой метод часто применяется для тонкого перемешивания жидких смесей и создания эмульсий, однако может быть использован и для измельчения твердых компонентов.
Авторы нового подхода показали, что использование аппарата вихревого слоя не только оказывается энергетически менее затратным, чем применение более традиционного оборудования, например планетарной мельницы, но и позволяет быстрее достигать узкого распределения частиц порошка по размеру.
В случае самозалечивающегося асфальта можно сказать, что окончательно решение там еще более наукоемко. Если вспомнить, что битум — вяжущее вещество асфальтового покрытия — разжижается при нагревании, кажется очевидным простой способ исправления мелких трещин в полотне: их нужно разогреть и разровнять. Более того, этот процесс происходит самопроизвольно, от простого нагрева на солнце, но очень медленно. Поэтому вопрос стоял в том, как это сделать быстро и эффективно.
Ученые НИТУ «МИСиС» предложили добавлять в битум углеродные нанотрубки, но не ради подхода «с нанотрубками всегда лучше». Дело в том, что углеродные материалы хорошо проводят электрический ток, а он, в свою очередь, существенно разогревает проводник, по которому течет. Вишенка на торте — это возможность индуцировать электрический ток в проводниках на расстоянии при помощи микроволнового излучения. Дальнейшее, как вы понимаете — дело техники: надо «всего лишь» подобрать необходимый состав битума, оптимизировать технологию синтеза и внедрения нанотрубок, создать технологичный аппарат для облучения дорожного полотна и, желательно, совместить его с катком. Все это и проделали в НИТУ «МИСиС».
На этом правда можно заработать?
Несомненно. Экономическая выгода складывается из многих факторов: во-первых, источником сырья для бесклинкерного бетона выступают промышленные отходы, стоимость которых зачастую складывается лишь из цены за доставку и прочую логистику. В некоторых случаях даже эти небольшие расходы можно окупить, если государство заинтересовано в переработке отходов, которые в противном случае будут накапливаться, занимать место и портить экологическую обстановку.
Во-вторых, если использовать новые вяжущие вещества для укрепления грунтов, то нет необходимости в завозе чистого песка и щебня, можно использовать местный грунт. В-третьих, обработка шлака в аппарате вихревого слоя почти в четыре раза менее энергозатратна, чем, например, помол в планетарной шаровой мельнице, что позволяет сэкономить на электричестве.
Что касается самозалечивающегося асфальта, то здесь основная экономическая выгода складывается из того, что при ремонте полотна с добавками нанотрубок нет необходимости срезать верхний слой покрытия.
Сколько такая штука может стоить?
Точная стоимость варьируется от объекта к объекту, но в среднем можно сказать, что строительство дороги с применением новых вяжущих веществ оказывается в полтора-два раза дешевле по сравнению «традиционной» технологией с заменой грунта привозным щебнем и песком.
Самозалечивающийся асфальт вносит лишь небольшую поправку к стоимости строительства, так как нанотрубки предполагается добавлять непосредственно к асфальтобетонной смеси из расчета около 17 грамм на тонну. Цена одного грамма нанотрубок начинаетсяот 70 центов.
Тарас Молотилин
