Наноматериалы в дорожном строительстве.

Графен – инновационный материал, обладающий уникальными свойствами, имеющий толщину всего в один атом углерода, был впервые получен в Манчестерском университете учеными Андреем Геймом и Константином Новоселовым, нашими соотечественниками. В 2010-м они удостоились Нобелевской премии по физике за свое открытие.  

Сегодня графену прочат великое будущее: он найдет применение в электронике, космонавтике, медицине и, конечно, дорожной отрасли. О том, что такое графен и каковы перспективы его применения в строительстве дорог, рассказал руководитель направления неорганических наноматериалов Национального исследовательского института цифрового материаловедения и технологий (НИИЦМиТ) Егор Шестаков.

НА КОНЧИКЕ КАРАНДАША

Графен – это обычный углерод, но в специфичной модификации. Он представляет собой плоские листы атомов шестого элемента Периодической таблицы, упакованные в сотовую кристаллическую решетку.

Графен – самый тонкий материал в мире, настолько тонкий (всего в один атом, тоньше некуда!), что его можно назвать двумерным объектом. Представим себе обычный грифель карандаша, – он состоит из нескольких миллионов слоев графена; по сути, графит в карандаше – это уложенные друг на друга графеновые слои.

Графен имеет чрезвычайно высокий модуль упругости и колоссальный предел прочности при растяжении. Это гибкий, самый растяжимый в природе кристалл, самый твердый материал в мире: графен в 200 раз прочнее стали и тверже алмаза. К тому же обладает отличными антикоррозионными свойствами.

Потенциал использования графена трудно переоценить: он может найти применение во многих отраслях промышленности. Понятно, что такой «подарок природы» не мог пройти мимо внимания специалистов дорожной отрасли.

ЗАКАТАТЬ В АСФАЛЬТ!

В процессе производства и эксплуатации асфальт подвергается старению и впоследствии разрушается. Причин тому несколько. Погрешности в технологии производства и укладки асфальта, перепады температуры атмосферного воздуха, осадки, запредельные нагрузки при эксплуатации – все это приводит к преждевременному старению покрытия и сокращает срок его службы. Следовательно, чтобы продлить жизнь асфальтовому покрытию, важно улучшить его характеристики против старения.

Графен химически и физически устойчив к кислороду, ультрафиолету и воде – то есть всему тому, что со временем приводит асфальт в негодность. В связи с этим было сделано предположение, что данный наноматериал является хорошей добавкой для улучшения асфальтовой смеси.

Эксперименты с графеном, проводимые как в России, так и за рубежом, показали, что при добавлении даже небольшого его количества в асфальт можно передать последнему свойства наноматериала, тем самым увеличив долговечность покрытия, его устойчивость к неблагоприятным воздействиям внешней среды.

В процессе исследований измерялись эксплуатационные характеристики графенового асфальта: индекс проникновения, температура размягчения, изменение коэффициента пластичности. Для анализа вязкоупругости были проведены тесты на восстановление ползучести при множественных напряжениях. Структура обработанных образцов была охарактеризована с помощью рентгеновских дифрактометров и просвечивающих микроскопов.

Результаты испытаний показали, что добавление графена в целом упрочнило асфальт, улучшив его характеристики при высоких и низких температурах. Наблюдалось смещение точки размягчения асфальта – критической температуры, при которой тот переходит из твердого состояния в жидкое. Также было установлено, что после добавления наноматериала пластичность и величина энергии разрушения асфальта значительно возрастает.

Графен может существовать в асфальтовой среде в стабильной форме. Между тем для исследователей остается актуальным вопрос – как равномерно распределить наноматериал в асфальтовой смеси, чтобы соотношение графена и поверхностно-активных веществ (ПАВ) было близко к оптимальному. ПАВ меняют форму графена в асфальте с неправильных кластеров на подходящие и с отчетливых крупных кластеров на более мелкие. Как только распределение графена в смеси приближается к идеальному, модифицированный асфальт приобретает улучшенные характеристики при высоких и низких температурах. Если ПАВ не в состоянии равномерно распределить графен в асфальте, то большинство кластеров графена в асфальте получают средний размер.

В настоящее время выделено несколько перспективных направлений использования графена в дорожном строительстве: производство асфальтовых смесей повышенной прочности (защита от усталостных трещин, высокая устойчивость к перепадам температур); производство усовершенствованных герметиков для асфальта; улучшение антикоррозийных свойств покрытия (эффективный барьер для влаги и дорожных солей); разработка датчиков на основе графена, встроенных в дорожное полотно (для непрерывного мониторинга состояния дороги и предупреждения развития дефектов).

ЛАДНО ЛЬ ЗА МОРЕМ?

 Англичане, считая себя первооткрывателями графена, продолжают опыты с ним. В настоящее время два 350-метровых участка дороги Marsh Lane в Оксфорде покрыты графеновым асфальтом – с целью определения эффективности нового материала, степени его противодействия трещино- и колееобразованию и, соответственно, способности увеличивать срок службы. По Marsh Lane проезжает до 10 тыс. автомобилей ежедневно, так что это хороший «полигон» для выявления достоинств инновационного материала. Это уже второй эксперимент с графеновым асфальтом, который проводится в Британии. Пилотное испытание, проведенное в 2019-м в Кембридже, показало, что графеновая «решетка» позволяет увеличить срок службы дорожного покрытия на 70% по сравнению с традиционным асфальтом. При том, что камеральные расчеты обещали не более 35%.

Не так давно британская компания National Highways провела эксперимент с целью выявления, насколько эффективен графен при ремонте дорожного полотна. Специальная машина разрушала старое покрытие до нужной текстуры, затем его смешивали с битумом и необходимыми добавками. После этого добавляли в смесь графен. Отреставрированное полотно действительно отличалось повышенной износостойкостью.

Сегодня в Британии достаточно успешно реализуется идея армирования графеном стальных барьерных ограждений. Также рассматривается возможность использования графена в качестве защитного слоя для таких ограждений – чтобы продлить срок их службы.

Графен используют и в горизонтальной разметке. Этот элемент дорожной инфраструктуры подлежит замене каждые два – четыре года. Разметка изнашивается, теряет отражающую способность. Однако само дорожное покрытие служит намного дольше, и повторное нанесение разметки может повредить асфальт, чего допускать нельзя. В настоящее время решается вопрос: способен ли графен продлить срок службы «дорожных полос». В идеале необходимо получить для них такую же долговечность, как и у основного покрытия. Это смогло бы облегчить жизнь водителям и пешеходам, значительно увеличить межремонтные сроки.

А ТАКЖЕ В ОБЛАСТИ ГРАФЕНА…

Вообще говоря, приоритет в тестировании асфальто-графеновых покрытий – вопрос риторический. Еще в 2019-м российская компания провела испытания дорожного битума, модифицированного графеновыми нанотрубками. Минтранс РФ признал разработку перспективной, и уже в январе следующего года была осуществлена укладка экспериментального участка дорожного полотна с нанотрубками на федеральной трассе М-4 «Дон». Это был первый в мире экспериментальный участок с асфальто-графеновым покрытием. Тестирование показало повышение устойчивости к образованию колеи и трещин на 67%.

«Графеновые нанотрубки формируют в асфальтобетоне армирующую сеть, которая улучшает комплекс физико-механических свойств: колеестойкость, температуру размягчения по КИШ, предел прочности при сжатии и усталостную долговечность, – рассказали российские инженеры. – Это существенно повышает эксплуатационные характеристики асфальтобетона, особенно важные в южных широтах на трассах, подверженных высокой транспортной нагрузке при высоких температурах».

Нанотрубки вводили в битум с помощью адгезионных присадок, а затем модифицированный битум добавляли в асфальтобетон. Эксперимент показал, что нанотрубки улучшают свойства дорожного битума при очень низких концентрациях – от 0,025% до 0,035% в общей массе материала, при этом самого битума в асфальтобетоне было не более 6%. Испытания показали прирост температуры размягчения на 10о С и увеличение вязкости вяжущего более чем в два раза.

В результате асфальтобетоны, содержащие в своем составе битум с нанотрубками, демонстрировали рост устойчивости к образованию колеи на 67%, а устойчивость к усталостному трещинообразованию возросла на 67,5%.

Следующим шагом на пути применения инновационного материала, по мнению специалистов, должно стать проектирование дорожной сети с усиленным нанотрубками покрытием. «Графеновые нанотрубки – исключительно прочная и одновременно легкая субстанция, которая уже сегодня широко применяется для изменения свойств различных материалов, – говорят исследователи. – Способность графена улучшать асфальтобетонные покрытия изучается научными группами по всему миру, но только российская разработка позволила приступить к испытанию асфальта с нанотрубками на реальных дорогах».

ГЛЯДЯ В БУДУЩЕЕ

В настоящее время российские ученые активно занимаются изучением свойств графена, ищут новые методы синтеза материала, исследуют его применение в различных областях. В дорожном строительстве специалисты трудятся над разработкой новых композитных материалов на основе графена для повышения прочности полотна, его износостойкости и устойчивости к воздействию окружающей среды. В основном этим занимаются НИИ, такие как Институт проблем химической физики РАН, Институт физики полупроводников имени В.Е. Лашкарева, Институт нанотехнологий и электроники РАН и др. Наша страна является одним из крупнейших производителей и экспортеров природного газа в мире. Производство графена из природного газа более эффективно и экономично по сравнению с другими методами получения этого наноматериала, например на основе угля или нефти. Использование природного газа позволяет снизить затраты на производство, а также увеличить его масштабы. Россия может экспортировать графен и графеновые материалы на мировой рынок, что принесет значительные доходы.

Графеновый асфальтобетон, безусловно, будет иметь преимущества в регионах с неблагоприятными климатическими условиями: благодаря своим антикоррозионным свойствам он способен предотвращать разрушение дорожных покрытий в условиях больших перепадов температур и высокой влажности. Графеновый асфальтобетон может обеспечивать устойчивость к воздействию солей и химических реагентов, используемых для обработки дорог в зимний период.

Однако есть и проблемы, связанные с массовым внедрением графенового асфальтобетона. Прежде всего это стоимость производства: графен – материал не из дешевых, и его применение может существенно увеличить стоимость асфальта.

Вторая проблема – отсутствие стандартов. Графеновый асфальтобетон является новым материалом, и пока не существует ГОСТов для его производства и использования. Это может вызвать определенные трудности при его внедрении в соответствии с отечественными требованиями.

Но как бы то ни было, графеновый асфальтобетон представляет собой перспективный материал с большим потенциалом для улучшения качества дорожных покрытий и повышения их долговечности. Дальнейшие исследования и разработки способны ускорить процесс внедрения графенового асфальтобетона в России.

Записал Алексей Шлыков