5 дорожных инноваций
Smart-дорога
Самоуправляемые автомобили, появление которых на дорогах общего пользования, по многим прогнозам, не за горами, потребуют преображения всей улично-дорожной инфраструктуры. Она должна будет иметь связь в режиме real time для обмена информацией с цифровыми, телеметрическими, геопозиционными устройствами автомобилей. Дороги будут оборудованы камерами и устройствами «компьютерного зрения», всевозможными датчиками, передающими информацию о ситуации на трассе и около нее водителю (в перспективе — роботу), пассажирам, а также формирующими базу big data. Внедрение подобных технологий позволит существенно повысить безопасность дорожного движения и сократить аварийность, откроет колоссальные возможности для анализа транспортных потоков.
Автодороги и транспортные средства постепенно превращаются в интегрированную интеллектуальную систему. «Активно внедряются интеллектуальные системы управления трафиком в зонах крупных городских агломераций, что в столице уже оказало положительное влияние на загрузку улично-дорожной сети. При этом внедрение интеллектуальных систем на автодорогах, запуск беспилотного движения в нашей стране будет зависеть не только и не столько от скорости развития технологий, сколько от формирования соответствующей нормативно-правовой базы», — говорит вице-президент Центра экономики инфраструктуры Павел Чистяков.
Цифровой двойник
Технологии BIM (Building Information Modeling) дают возможность проектировщикам создать понятную модель будущей дороги со всеми необходимыми характеристиками на всем ее протяжении, включая сложные развязки, эстакады, мосты и тоннели. В автоматическом режиме происходит сопряжение всей информации о потенциальных нагрузках, трафике, пиковых временных периодах, климате, учитываются внешние факторы, связанные с расположенными вдоль трассы объектами. Скорость, с которой эта технология позволяет анализировать данные, на несколько порядков превосходит старые методы. BIM позволяет в 3D-формате заранее увидеть все элементы дорожно-транспортного сооружения, анализировать его эксплуатационные параметры и варьировать себестоимость проекта.
«Цифровизация городов просто невозможна без сближения технологий ГИС и BIM: беспилотный транспорт будет использовать дорожную инфраструктуру, которая проектируется сейчас. Для того чтобы все это стало реальностью, компании продолжат инвестировать в области, где пересекаются возможности информационного моделирования и геопространственного анализа», — считает технический эксперт по направлению «Инфраструктура» компании Autodesk Алла Землянская.
Один из наиболее известных примеров транспортных объектов, построенных в мире с помощью BIM-технологий, — проект второго автодорожного моста Сутун через реку Янцзы в Китае общей длиной 57 км (2007). Элементы имитационного моделирования также применялись при строительстве моста через Керченский пролив.
Почти как сталь
С помощью современных материалов сегодня можно совершить революцию в строительстве. В частности, компания LafargeHolcim разработала ультрасверхвысокопрочный бетон Ductal, его прочность на сжатие (130–250 Мпа) почти в десять раз больше, чем у бетона обычных марок. Элементы из Ductal или UHPC (ultra high performance concrete) получаются в несколько раз тоньше по сравнению с аналогами из обычного бетона. Это позволяет экономить на логистике, монтаже и значительно снижать вес сооружений.
В строительстве объектов транспортной инфраструктуры UHPC широко применяют для мостовых конструкций, так как его показатель пористости — один из самых низких среди искусственных минеральных материалов. Плюс он стойко выдерживает «агрессию» со стороны окружающей среды, химических веществ, высоких температур горения, почти не подвержен абразивному износу. «Аналогов разработки бетонов с такими свойствами мало, хотя в России они тоже есть — за счет различных заполнителей, снижающих пористость, — зола-унос, микрокремнезем и т.п. Безусловно, материал значительно увеличит жизненный цикл искусственных сооружений», — говорит генеральный директор Конструкторско-технологического бюро бетона и железобетона Артем Давидюк.
Архитекторы ценят в Ductal сочетание феноменальных конструктивных и декоративных качеств. Финишная отделка этому материалу не требуется: его внешняя красота и так безусловна. Увидеть UHPC «в деле» довольно просто, мировые архитекторы часто воплощают с его помощью свои задумки. Например, во Франции материал использован в изготовлении изогнутых панелей фонда Louis Vuitton или элементов стадиона «Жан Буэн» в Париже, моста Республики в Монпелье, башни Жана Нувеля в Марселе.
Покрытие из мусора
Проект PlasticRoad был заявлен голландскими компаниями KWS Infra и VolkerWessels в 2015 году. Но пока так и не реализован. Тем не менее заложенный в проект принцип весьма интересен.
Он предусматривает создание дорожного покрытия из переработанного пластикового мусора, собранного в Мировом океане. Из него должны создаваться сборные дорожные детали, из которых монтируется покрытие. «Сборное производство и легкая конструкция делают конструкцию PlasticRoad простой задачей. Дороги можно построить за несколько недель. Также намного легче контролировать качество дороги», — говорится в материалах VolkerWessels. Пластик устойчив, при его применении появляются возможности для генерации альтернативной электроэнергии, создания обогреваемых дорог, уверены в компании. Кроме того, детали PlasticRoad имеют полое внутреннее пространство, которое может использоваться для прокладки кабелей и труб.
В 2016 году с инициативой создания проекта дороги из пластика в России выступил депутат Госдумы Александр Старовойтов. Тогда же о желании протестировать технологию заявили в столичном ГБУ «Центр экспертиз, исследований и испытаний в строительстве». «Мы проверим ровность такой дороги, уклоны, толщину, прочность, долговечность. Основные характеристики проверим все. Вопрос: как будет вести себя пластик в жару и холод? Можем и нагреть пластик в рамках проверки», — комментирует тренд директор ГБУ Виктор Егоров. Впрочем, пока срок внедрения данной технологии неизвестен.
«Умная» техника
Так называемая дорожная одежда — это сложная и многослойная структура из грунта земляного полотна, нескольких слоев щебня, песка и их смеси, асфальтобетона и пр. Задачей систем управления техникой является формирование поверхностей каждого слоя. Для работы таких систем требуется использование 3D-цифровых моделей «комплексных коридоров» автодорог, то есть поверхностей структурных слоев, для каждого из которых нужен определенный вид техники на каждом этапе выполнения работ, объясняют в «Autodesk Россия».
Сейчас производство «умной» дорожной техники внедряется на отечественных машиностроительных предприятиях. В частности, концерн «Тракторные заводы» на заводе в Чебоксарах оснащает некоторые свои машины интеллектуальной системой нивелирования, позволяющей обеспечить точное позиционирование ковша экскаватора или отвала бульдозера. В скором времени планируется создание нового бульдозера с полноценной бортовой информационно-управляющей системой, которая будет обеспечивать контроль функционирования всех агрегатов, позволит полностью автоматизировать управление машиной и ее рабочим оборудованием, в том числе в дистанционном режиме.
«Применение «умных» машин позволяет повысить уровень производительности, исключить человеческий фактор и обеспечить безопасность оператора техники, который может дистанционно управлять несколькими машинами одновременно», — считает генеральный директор производственной компании ЧАЗ Владимир Антонов.
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕМОНТЕ
Традиционных вариантов для устройства поверхности автомобильной дороги в мире не так уж много. В наше время их перечень становится все шире: инновационные решения в сфере дорожного строительства и ремонта позволяют сделать перемещение автотранспортных средств более безопасным, а сами дорожные одежды — более долговечными. Отдельные области приложения инноваций — дорожные основания и элементы транспортной инфраструктуры.
Повышение требований к безопасности и комфорту перемещения автотранспортом является, пожалуй, наиболее мощным драйвером в дорожно-строительной сфере. Оптимизация расходов на строительство автотрасс и сопутствующей им инфраструктуры занимает при этом почетное второе место.
Отдельные «прорывные» решения, позволяющие улучшить по одному из параметров качество дорожных одежд или основания дороги, несомненно, важны — однако много важнее в практике дорожного строительства решения комплексные, касающиеся сразу ряда эксплуатационных характеристик. К числу такого рода решений относится, к примеру, технология superpave, название которой происходит от сокращенного выражения superior performance asphalt pavements (асфальтовое покрытие с наилучшими характеристиками). Система superpave является новым продуктом Стратегической исследовательской программы по шоссейным дорогам (SHRP), реализуемой в США.
Говоря коротко, superpave — это комплексная система проектирования составов смесей, удовлетворяющих самым высоким требованиям к эксплуатационным характеристикам в зависимости от транспортной нагрузки, климатических и структурных условий на конкретном участке укладки покрытия. Улучшение эксплуатационных характеристик покрытия достигается за счет проектирования и сочетания наиболее подходящего битумного вяжущего, минерального компонента и, если это требуется, модификатора. Такой подход позволяет добиться существенного снижения количества таких дефектов дорожных покрытий, как образование колей, а также усталостного и термического растрескивания.
На этапах разработки технологии superpave выполненные согласно ей участки автодорог подвергались воздействию реальных температур повседневной эксплуатации асфальта — а кроме того, проверялась стойкость покрытия к возрастной деформации, механическим, химическим и другим воздействиям. В результате был получен комплект, объединяющий в единую систему проектирования и анализа смесей более 25 продуктов для дорожно-строительной отрасли. К их числу относятся технические условия на новые материалы, методы испытаний, методы проектирования смесей и многое другое. При этом продукты superpave применимы к конкретным климатическим условиям и транспортным нагрузкам на любом участке дорожного покрытия на территории США и Канады. Система применима для свежих и рециклизованных плотных, горячих асфальтобетонных смесей (ГАС), с модификаторами или без них, для укладки новых покрытий, а также для ресайклинга их поверхностных слоев.
Хотя в России единой системы, объединяющей лучшие наработки в сфере дорожного строительства и ремонта, пока нет, попытка создать отечественный аналог системы superpave все же имеет место. Российская попытка создать оптимальное дорожное покрытие за счет точного подбора компонентов асфальтобетонной смеси получила название «СПАС». Испытания дорожных одежд нового типа продемонстрировали, что новое покрытие имеет срок службы на 20—30% больше, чем традиционное, в том числе за счет устойчивости к образованию колеи. Тестирование нового покрытия автодорог проходило на опытных участках трасс общей протяженностью в несколько сотен километров в Северо-Западном и Уральском федеральных округах.
С необычными компонентами при укладке основания дорог и дорожных одежд в России также активно экспериментируют. Несколько лет назад на Урале, на участке автотрассы Кундавы — Варламово компанией «Южуралавтобан» были опробованы технологии укладки дорожных одежд из сталефибробетона и основания трассы с использованием бетона из кремнезема. Новые технологии были испытаны на двух экспериментальных участках длиной 150 метров каждый. В сталефибробетон под высоким давлением добавляют обрезки стальных тросов (фибру), что создает для материала дорожного покрытия своеобразный каркас. В результате прочность такого материала значительно выше, чем у бетона обычных марок, что позволяет укладывать его более тонким слоем.
Микрокремнезем, предназначенный для укладки в дорожное основание, обеспечивает значительную гибкость и возможность избежать трещин. Укладывается микрокремнезем с применением обычной дорожной техники — автогрейдеров, асфальтоукладчиков, использования какого-то дополнительного оборудования при работе с ним не требуется.
Как известно, настоящим бичом для дорожного полотна являются трещины. Вода, проникающая в микроскопические полости на дороге, при понижении температуры застывает и увеличивается в объеме. При оттаивании вода испаряется, оставляя в дорожном покрытии трещины. При эксплуатации дороги трещины становятся длиннее, глубже и шире, из-за чего дорожным одеждам требуется ремонт, а иногда и замена. Неудивительно, что усилия сотен инноваторов со всего мира направлены на то, как минимизировать, а то и вовсе избежать образования трещин, найти оптимальное средство для их заделки — либо же решить проблему кардинально, создав самовосстанавливающееся дорожное полотно.
К числу решений второго рода относится идея, выдвинутая учеными из университета города Делфт в Голландии. Они предлагают ввести в состав предназначенного для укладки асфальтобетона проводящие электричество волокна в конфигурации замкнутых контуров. При ремонте через волокна-наполнители вокруг трещины пропускается электрический ток, и в дорожном покрытии генерируется тепло такой температуры, что входящее в состав дорожного покрытия вяжущее плавится и заполняет трещину.
Швейцарские исследователи из организации Empa совместно со своими коллегами из ETH Zurich предлагают использовать при дорожном ремонте наночастицы оксида железа. При этом наночастицы вводятся в область трещин и подвергаются воздействию переменного магнитного поля. При таком воздействии материал дорожного полотна размягчается и восстанавливается — на заделку одной трещины подобным методом, как уверяют авторы технологии, требуется всего несколько секунд.
Ученые из университета Миннесоты-Дулут (США) предложили при заделке дорожных трещин использовать оригинальный состав. Он включает в себя местную железную руду, содержащую магнетит (1—2%), битум, крошку переработанных дорожных и тротуарных покрытий, а также черепицы. После заделки трещин такой смесью последняя нагревается с помощью микроволнового блока, который прикреплен к грузовику ремонтной бригады. Как утверждают авторы разработки, участок дороги, отремонтированный таким способом, не потребует повторного ремонта в несколько раз дольше, чем если бы он был восстановлен с помощью традиционного состава из битума и асфальтобетона.
Необычный способ разрешения проблемы повреждения автодорог водой, попадающей в трещины дорожного покрытия, предложили российские ученые из Тюменского индустриального университета. Для дорожных одежд вместо привычного асфальтобетона они порекомендовали использовать природный материал — диатомит. Построенные из него дороги будут отталкивать воду, что исключает образование трещин; к низким температурам окружающей среды этот материал также невосприимчив. Диатомит — кремниевая порода, обладающая высокими адсорбционными и теплоизолирующими свойствами. Учитывая то, что залежи этого материала просто огромны и находятся практически на поверхности земли, добыча диатомита обходится недорого. Сообщается, что уже построено несколько экспериментальных участков автодорог на основе диатомита; их эксплуатация определит дальнейшие перспективы использования этого материала в дорожном строительстве.
Мосты, эстакады и другие элементы транспортной инфраструктуры служат одной из важнейших областей приложения инноваций в интересующей нас области. Несомненно, одним из самых интересных и уже получивших довольно широкое распространение решений является использование высокопрочного бетона Ductal, разработанного компанией LafargeHolcim. Прочность этого материала на сжатие составляет 130—150 МПа, что в десять раз больше, чем у стандартных марок бетона. Ductal характеризуется как UHPC, ультравысокопрочный бетон, что позволяет получать из него конструкции в несколько раз тоньше и легче, чем из обычного бетона, без потери рабочих качеств — это способствует снижению веса конструкций, а кроме того, снижению расходов на доставку и монтаж.
Бетон Ductal используют при строительстве мостов, дорожных развязок, эстакад. Кроме того что изготовленные из него элементы таких конструкций обладают небольшим весом, Ductal имеет рекордно низкий показатель пористости, не подвержен абразивному износу и легко выдерживает воздействие окружающей среды и химически активных веществ. Использование этого инновационного материала существенно увеличивает срок эксплуатации искусственных сооружений, будь то дорожная развязка или мост. При этом его внешний вид также выше всяких похвал, что позволяет использовать Ductal для изготовления декоративных конструкций самого разного рода.
Кроме решений, касающихся непосредственно автотрасс и дорожных сооружений, в практике дорожного строительства важное место занимают методы для укрепления насыпей, склонов, откосов, колодцев и других элементов инфраструктуры. В этой области также имеются интересные решения. В 2011 году в пятерку изобретений, далающих мир чище и комфортнее, вошло бетонное полотно Concrete Canvas, разработанное учеными из Великобритании. За годы, прошедшие с тех пор, инновационная разработка получила распространение в строительной практике многих стран мира, включая Россию.
Бетонное полотно Concrete Canvas представляет собой два текстильных слоя с начинкой из сухой цементной смеси высокого качества. Слои соединены между собой текстильными волокнами. С внутренней стороны полотно покрыто слоем ПВХ.
Полотно хорошо гнется и легко раскатывается по любой поверхности. Его свойства кардинально меняются спустя пару часов после смачивания водой. Цементная смесь застывает — и полотно превращается в прочный слой армированного бетона. Таким образом, чтобы получить высокопрочное, долговечное, устойчивое к различным воздействиям и нагрузкам покрытие, не требуется раствор, миксеры, опалубка, оборудование для торкретирования: достаточно рулона бетонного полотна Concrete Canvas. Для крепления бетонного холста на поверхности — например, на грунте — используют обычные анкера или стальные колья со шляпками, чтобы скрепить слои между собой — герметик или строительный раствор. Полученное таким способом покрытие прочнее торкрет-бетона, не пропускает влагу, устойчиво к агрессивным средам и ультрафиолетовому излучению — а кроме того, выдерживает до 300 циклов замораживания/оттаивания. Почему бы в таком случае не использовать Concrete Canvas в качестве альтернативного дорожного полотна? Дело в том, что его укладка производится таким образом, чтобы край предыдущего куска перекрывал край следующего: это необходимо для их последующего скрепления между собой. Образующиеся при таком способе соединения стыки усложняют движение по Concrete Canvas транспортных средств. Кроме того, собранная из раскатанных рулонов инновационного полотна автодорога была бы намного дороже даже монолитной бетонной. А вот для укрепления отдельных элементов дорожной инфраструктуры она подходит идеально.
Завершая разговор о новых методах дорожного строительства и транспортной инфраструктуры, нужно отметить, что в этой области за некий инновационный подход нередко выдаются попытки решить совершенно другие задачи. Если устройство подогреваемых участков трассы (как, например, в Японии) имеет целью разрешить проблему обледенения дорожных покрытий в холодное время года, что хоть и не везде рентабельно, но практично, то имеются и многочисленные примеры совершенно бесполезных для дорожной отрасли решений. К их числу относятся укладка дорожных покрытий с использованием переработанного пластика, автомобильных покрышек и выбрасываемых океаном на берег морских водорослей. Добавление подобных компонентов в асфальтобетонную смесь в лучшем случае ничего не добавляет к эксплуатационным качествам дорожных покрытий — а строительство модульных дорог целиком из пластика (вроде того, что ведется в Голландии) даже у неспециалистов вызывает логичные вопросы о безопасности езды по ним. Спору нет, экология — важная сфера человеческой жизнедеятельности, однако откровенных спекуляций на теме защиты окружающей среды в наше время предостаточно. И выдавать за благо для дорожно-строительной отрасли сомнительные, а то и прямо убыточные технологии, позволяющие избавиться от разного рода отходов, — как минимум нечестно.