В России уже более 1600 км дорог покрыто наноструктурированным дорожным покрытием. Что это за покрытие, зачем оно применяется и какие перспективы открывает новая технология для автодорожной отрасли страны, рассказывает Вадим Никольский, заведующий лабораторией физико-химии высокодисперсных материалов Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН.

Асфальт: сегодня и завтра

Основу асфальта составляет каменная крошка и щебень. Для того чтобы из них появилось дорожное покрытие, требует вяжущее — то, что соединит эти элементы. Сегодня таким вяжущим является синтетический битум — это то, что остается от нефти после переработки, когда из нее уже выбрали все масла, мазут, мономеры и т. д.

По мере развития нефтепереработки качество битума падало — ведь из него, по сути, выжимали все «соки». Соответственно, падало и продолжает падать качество дорожного покрытия. Особенно это заметно в тех странах, где резко меняется температура.

Холодная зима, жаркое лето, резкие температурные изменения за короткие период времени (утром ударил мороз, после обеда потеплело и все начало оттаивать) — это быстро разрушает современную дорогу.

К тому же такой асфальт плохо сопротивляется образованию колеи, растрескивается.

Чтобы улучшить его качество, необходимо «укрепить» битум с помощью специальных добавок. Вопрос в том, что именно добавлять. Очевидно, что такая «присадка» должна быть доступной по цене и производиться из того, чего много. Резина от автомобильных покрышек — подходящий по многим параметрам компонент. Она эластична и доступна в избытке. А если придать асфальту ее свойства, то лучшее вяжущее и представить себе сложно.

На протяжении десятков лет предпринимались многочисленные попытки объединить резиновую крошку с битумами.

Разрабатывались десятки технологий, укладывались сотни различных экспериментальных участков во многих странах мира.

Однако каждый раз частицы резины оказывались инородными в структуре асфальта и через какой-то период времени выкрашивались из дорожного полотна.

Решение этой проблемы нашли в конце 70-х годов в Институте химической физики им. Н. Н. Семенова РАН. Мы исследовали такое явление, как «пластическое течение». Композиционные материалы на основе полимеров подвергались одновременно интенсивному сжатию и прокручиванию («жернова» наковальни вращаются относительно друг друга), которое составляло от 5 тыс. до 20 тыс. атмосфер, на так называемой наковальне Бриджмена.

При определенных нагрузках хоть и пластичный, но все-таки твердый полимер начинает течь, причем течь без нагревания.

Поэтому пластическое течение еще называют холодным. Оно происходит ниже температуры расплава. Так вот, оказалось, что в «жерновах» наковальни Бриджмена при определенных условиях можно получать высочайшей однородности смеси различных полимеров. И столь высокой однородности, почти на молекулярном уровне, до нас никто не наблюдал. Но происходили и другие фантастические по тем временам явления. Например, мы вынимали полученные в наковальне пленки — а они стабильны при комнатной температуре — рассматривали, изучали. А потом вновь помещали в наковальню, начинали вращать. И изначально однородная, прозрачная пленка вдруг становилась матовой, как будто покрывалась трещинами. Вращаем еще — и снова получаем прозрачную пленку. Однако выяснилось, что это уже другой материал, с иными свойствами.

Это выглядело как открытие другого мира — таких полимерных систем раньше просто не было.

Но мы решили пойти дальше. Во-первых, снизили силу давления на образцы, находящиеся в наковальне Бриджмена. Во-вторых, модернизировали саму наковальню: ее стало можно нагревать. Чем выше температура нагрева, тем быстрее проходили процессы «превращения» полимеров. И не только в скорости происходящих реакций оказалось дело. При определенной температуре, определенной силе сжатия и угле поворота «жерновов» наковальни полученные пленки перестали растрескиваться, а начали распадаться в тонкодисперсный порошок. То, что мы впервые проделали в лабораторных условиях с помощью наковальни Бриджмена, сегодня называется высокотемпературным сдвиговым измельчением (ВСИ).

Позже была создана машина — роторный диспергатор, которая могла производить полимерные порошки в промышленных масштабах. Если сказать упрощенно, то она представляет собой «скрученную» наковальню Бриджмена: ее «жернова» мы сделали цилиндрическими, один из которых вставлен в другой. При этом структура поверхности «жерновов» позволила снизить давление, необходимое для получения порошков, до 100–500 атмосфер. Температура, при которой происходит весь процесс, зависит от типа вещества, которое требуется переработать. И именно машины такой конструкции сегодня используются для производства модификатора асфальтобетонной смеси «Унирем», который производит проектная компания РОСНАНО — ООО «Уником».

Коротко объясню, что, собственно, происходит с резиновой крошкой в промышленном диспергаторе. За счет высокой температуры и значительных сдвиговых усилий происходит не только измельчение материала, но и частичная (дискретная) девулканизация резины, причем не только на поверхности всех частиц, но и по их глубине.

При этом разрушается 15–30% всех межмолекулярных связей, а деструкции самих молекул не происходит.

На рис.: Микроскопическое изображение модификатора дорожного покрытия «Унирем»

Каждая частица, которая выходит из дисперагатора, состоит из микро- и наноблоков. Частицы достаточно слабо связанны друг с другом. В горячем битуме эти частицы самостоятельно распадаются на микро, а потом и на наноблоки, которые встраиваются в структуру асфальта. И вот уже эти наночастицы и дают желаемый эффект.

Как я уже говорил, модификатор добавляют в горячий битум. Отмечу немаловажную деталь: его вводят в асфальтобетонную смесь так называемых сухим способом. То есть просто добавляют и все.

Не требуется изменения технологии производства, каких-то особых условий.

Распад происходит самостоятельно, что является очень удобным для дорожного строительства.

Резиновые частицы в битуме не только распадаются на микроблоки, их поверхность набухает и разрыхляется с одновременным образованием химических связей между резиновыми кластерами и молекулами битума. Таким образом, в асфальтобетонной смеси образуется структурированное на микро- и наноуровне резиново-битумное вяжущее, не проявляющее тенденции к расслаиванию и обладающее высокими адгезионными свойствами. Так, адгезия к минеральным составляющим увеличивается в 2–5 раз.

Процесс сопровождается изменением основных свойств битума — увеличением пластичности, снижением температуры хрупкости и т. д.

В среднем срок службы асфальта с добавлением модификатора увеличивается на 30–50%. На 25–30% повышается сопротивление к образованию колеи.

Более того, введение мельчайшей резиновой крошки в асфальтобетон позволяет также «гасить» трещины. На краю — так называемом устье — начавшейся образовываться трещины концентрируется энергия, которая постоянно передается. За счет этого и растет разлом. Если же трещина «натыкается» на достаточно крупную частицу резины, то просто огибает ее и продолжает свое разрушительное движение. Однако совсем другая картина, когда в асфальтобетоне содержится резиновая составляющая, частицы которой измеряются нанометрами. Образующаяся трещина наночастицу обойти не способна, оказываясь в своеобразной ловушке. Под воздействием разрушающей энергии наночастица резины сперва растягивается, потом возвращается в исходное положение. В результате трещина просто теряет ту энергию, которая ей нужна для роста. Кстати, то же самое происходит и со звуковой волной.