Глава 9. Полимерные материалы и изделия в дорожной отрасли
Общие сведения о полимерах и пластмассах
Общие положения
Наряду с органическими и минеральными вяжущими, каменными и другими материалами при строительстве, ремонте и содержании дорог применяются материалы и изделия на основе пластмасс – полимерные материалы.
Такие материалы применяют:
— для укрепления грунтов в дорожных одеждах;
— в качестве модифицирующих добавок к битумам, асфальто- и цементобетонам;
— в качестве отделочных, гидроизоляционных и звукоизоляционных материалов;
— в качестве твердых и пленочных изделий.
Пластмассы являются хорошими заменителями таких дефицитных материалов, как металлы, древесина, олифа и др. Они часто наиболее предпочтительны для работы в дорожных конструкциях, работающих в экстремальных условиях (частые переходы через нулевую температуру, при очень низких и высоких температурах, при высокой влажности, в агрессивных средах).
Применение полимерных материалов способствует улучшению условий и производительности труда рабочих, дальнейшей индустриализации дорожного строительства (капсулирование битума, гранулирование асфальтовяжущего вещества для производства асфальтобетонных смесей).
Дальнейший технический прогресс в дорожной отрасли требует от дорожников видов, исходного сырья, свойств и областей рационального использования материалов.
Общие сведения о полимерах
Полимеры – высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из огромного количества молекул низкомолекулярных соединений (мономеров), соединенных друг с другом силами ковалентных связей в макромолекулы.
Макромолекулы во много тысяч раз превышают размеры обычных молекул. В качестве примеров возьмем жидкость (Н2О) и твердый материал (СаСО3).
Молекула воды состоит из трех атомов, а ее молекулярная масса равна 18 единицам; молекула силикальцита состоит из пяти атомов, а ее молекулярная масса равна 100.
Молекулы полимеров содержат сотни тысяч атомов, а их молекулярная масса достигает десятков и сотен тысяч единиц и более. Так, например, молекула целлюлозы (природный полимер) построена из 1200000 атомов с молекулярной массой 300000, с у искусственного полимера – полиэтилена – молекулярная масса колеблется в пределах от 10000 до 40000.
Полимеры разделяют на органические и неорганические. Главным отличием органических полимеров является наличие в их молекулах атомов углерода, которых в молекулах неорганических полимеров нет.
В строительстве наибольшее распространение получили искусственные органические полимеры.
В большинстве случаев органические полимеры содержат многократно повторяющиеся структурные элементарные звенья (мономеры).
Основная цепь у макромолекул полимеров обычно состоит из атомов углерода (карбоцепные полимеры). Например, полиэтилен (- СН2 — СН2 -)n
Индекс n обозначает число повторяющихся звеньев мономеров, входящих в состав полимера:
где М — молекулярная масса полимера;
Иногда цепь полимера состоит из атомов углерода с чередованием атомов других элементов: кислорода, хлора, серы, азота, фосфора. Такие полимеры называются гетероцепными (ненасыщенные полиэфиры, полиамиды).
Ненасыщенные полиэфиры выпускаются промышленностью в виде полиэфирных смол, используемых при производстве стеклопластиков, лаков, клеев.
Полиамиды – синтетические полимеры, содержащие повторяющиеся группы — СО — NH — в основной цепи макромолекулы. Применяются при производстве пленок, синтетических волокон, клеев.
В основную цепь макромолекулы полимера могут включаться атомы кремния, алюминия, титана, никеля, отсутствующих в природных соединениях. Такие полимеры называются элементоорганическими.
Элементоорганические полимеры могут содержать в основной цепи атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, не входящих в состав обычных органических соединений. Так, например,
соединения типа ¾ Si ¾ O ¾ Si ¾ O ¾ имеют в макромолекуле кремний-
кислородные связи, именуемые силоксановыми.
По строению молекул органические полимеры могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми (трехмерными).
При линейном строении все молекулы вытянуты в виде цепей, в которых атомы мономера, являющиеся исходным низкомолекулярным соединением, химически связаны между собой. Разветвленные макромолекулы характерны наличием мономерных звеньев, ответвленных от основной цепи полимера. Сетчатые (пространственные) макромолекулы характеризуются химической «сшивкой» отдельных линейных или разветвленных цепей полимера поперечными связями (рис. 9.1).
Полимеры с макромолекулами линейного и разветвленного строения при нагревании плавятся с изменением свойств, а также способны растворяться в соответствующих органических растворителях. При охлаждении такие полимеры вновь отверждаются (так в отношении полимеров называется процесс отвердевания). Они способны многократно размягчаться при нагревании и отверждаться при охлаждении; их называют термопластичными (термопластами). Полимеры с макромолекулами трехмерного строения имеют повышенную устойчивость к термическим и механическим воздействиям, не растворяются, а лишь набухают в растворителях. Они не могут размягчаться при повторном нагревании; их именуют термореактивными (реактопластами). При высокотемпературном нагревании они подвержены деструкции и сгоранию.
Органические полимеры в твердом состоянии имеют обычно аморфную структуру. Однако существуют полимеры, которые в твердом состоянии характеризуются кристаллической или аморфно-кристаллической структурами.
Основными видами сырья для производства полимеров служат природные и нефтяные газы, аммиак, каменный уголь, древесина и др.
В зависимости от способа получения полимеры разделяют на две группы: полимеризационные (термопласты) и поликонденсационные (реактопласты).
Полимеризационные полимеры получают полимеризацией исходных мономеров путем соединения элементарных звеньев мономера в длинные цепи. Поскольку при полимеризации мономеров атомы и их группировки не отщепляются, то побочных продуктов в реакциях не образуется, а химический состав мономера и полимера остается одинаковым. В полимеризации могут участвовать два и более мономера, тогда ее называют сополимеризацией, а продукт – сополимером.
В процессе поликонденсации протекают более сложные химические реакции, в результате чего образуется не только основной продукт, но и побочные соединения – вода, спирт и другие, так что химический состав получаемого сополимера всегда будет отличаться от химического состава исходных продуктов поликонденсации.
По мере протекания процессов полимеризации и поликонденсации число атомов в образуемых макромолекулах возрастает и растет молекулярная масса формирующихся полимеров.
Все синтетические высокомолекулярные соединения, полученные полимеризацией или поликонденсацией (за исключением эфиров целлюлозы и каучуков), принято называть синтетическими смолами.
По отношению к нагреванию синтетические смолы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).
«Полимеры на трассе»
| Татьяна Устинова |
| Те, кто регулярно бывает в Европе, уже привыкли к тому, что европейские дороги не просто лучше российских — на них еще и гораздо реже можно увидеть ремонтные работы. Во многом это объясняется тем, что на Западе при строительстве применяют современные материалы, которые еще не получили широкого распространения в России. |
Почему российские дороги не похожи на европейские — понятно. Прежде всего они не рассчитаны на интенсивный транспортный поток. «Наши дороги строились 20-30 лет назад, когда не было таких нагрузок и такого количества машин, как теперь. На Западе дороги строились с учетом постепенного роста их количества, а у нас в 1990-х произошло резкое увеличение транспортного потока, но основания дорог остались прежними»,— рассуждает Виктор Котляров, главный инженер компании «Дорожник 92». Капитально, с заменой основания отремонтировать дороги мешает и непопулярность этой меры (для серьезного ремонта необходимо на длительный срок перекрывать дороги), и другая больная для отрасли проблема — коррупция: ремонтировать покрытие раз в два-три года выгоднее, чем сделать один раз, но качественно и надолго.
Есть и технические моменты, о которых обычно забывают: на Западе используется много современных материалов, которые помогают строить качественные и долговечные дороги.
Одним из основных компонентов асфальтобетона является нефтяной битум — самый дешевый и наиболее универсальный материал для применения в качестве вяжущего при строительстве дорожных покрытий. Сейчас до 90% производимых в мире товарных битумов потребляется дорожной отраслью. Но обычный битум не подходит для дорог, испытывающих значительные нагрузки. Поэтому качество битума повышают за счет регулирования его характеристик с помощью модифицирующих добавок. В мире накоплен значительный опыт применения в строительстве и ремонте дорожных покрытий материалов на основе битума и модификаторов. В качестве модификаторов применяют каучуки, органо-марганцевые компаунды, термопласты (полиэтилен, полипропилен, полистирол, этиленвинилацетат, бутадиен-стирольные термоэластопласты (SBS).
Для северных стран, в том числе России, для которых характерны резкие перепады температур с переходом «через ноль», использование добавок особенно актуально: полимерные покрытия отличаются от обычного битума рабочим температурным интервалом. «У обычного битума температура хрупкости — до -20°C, у полимерно-вяжущих материалов — существенно ниже (может достигать -40°C и ниже). Представим нередкую в России ситуацию: мороз -30°C, по трассе идут фуры, они давят на дорогу, и если это обычный битум, начинается ее разрушение»,— объясняет Алексей Копылов, менеджер по продукту СБС компании СИБУР. А полимерное покрытие в таких условиях надежно удерживает щебень в полотне дороги. Увеличивается и теплостойкость покрытия: обычный битум выдерживает температуру до +60°C, а полимерные покрытия — +80°С и более.
Кроме того, у ПБВ значительно больше способность к восстановлению при нагрузках, а значит, выше стойкость к деформации. «Наглядный пример: если взять брусок из полимера длиной 20-30 см, то его можно растянуть, не повредив, до 180 см, и со временем он восстановит прежнюю форму»,— поясняет Копылов.
Из-за этого свойства полимерных материалов применение их в дорожном строительстве дает очень хорошие результаты. Полимеры в дорожном строительстве широко применяют с середины 1970-х в Германии, Франции, и уже можно сделать выводы об их долгосрочной эффективности. За 20 лет расходы на эксплуатацию дорог США за счет использования полимерных добавок снизились на 10-20%; использование ПБВ в Канаде позволило увеличить долю дорог, находящихся в хорошем состоянии, с 43% до 75%. Неудивительно, что некоторые страны, например Китай, сделали применение полимерно-битумных вяжущих материалов обязательным при строительстве высокоскоростных трасс с десяток лет назад.
«В Европе есть дороги с использованием полимеров, которые функционируют уже по 20 лет, не требуя капитального ремонта»,— говорит господин Копылов. В России тоже есть такие примеры: один из участков трассы М-2 «Крым», закладывался с полимерными материалами. Специалисты МАДИ исследовали его и выяснили, что спустя 12 лет после укладки без проведения капитальных ремонтов дорога соответствует нормам, притом что это федеральная трасса с интенсивным транспортным потоком. Но такие примеры немногочисленны: в России полимерно-битумные вяжущие используются в 2% от общего объема вяжущего, используемого при ремонте и строительстве дорог, в то время как в Германии этот показатель составляет 23%, в США — 15%, в близкой к нам по климату Канаде — 50%.
Такой низкий уровень использования этих материалов в России можно было бы объяснить стремлением сэкономить: модифицированные битумы увеличивают стоимость строительства. Сам по себе ПБВ дороже обычного битума на 50-60%.
Но в общей стоимости строительства новой дороги влияние одного компонента, который применяется только в верхнем асфальтобетонном слое толщиной около 7 см, невелико даже с точки зрения количества, ведь другие слои могут составлять до 1,5 м. «Если речь идет о совсем новом строительстве, то удорожание из-за использования ПБВ составляет менее 1%, и окупаются эти «лишние» вложения уже за два года. Именно поэтому вся мировая дорожная отрасль уже пришла к этим материалам»,— говорит господин Копылов. По словам Виктора Котлярова, применение полимеров в верхнем слое дорожного покрытия при его ремонте увеличивает суммарную стоимость этого слоя приблизительно на 20%, но благодаря этому дорога будет эксплуатироваться дольше и следующий срок ремонта отодвинется, а ремонты — самая затратная часть содержания дороги. Правда, господин Котляров констатирует, что в большинстве случаев заказчики пытаются сэкономить и предпочитают использовать обычный битум.
В 1995 году применение вяжущих материалов при строительстве федеральных трасс в России пытались сделать обязательным — соответствующий указ издало Федеральное дорожное агентство. Но тогда, несмотря на обязательность, попытка провалилась. Во-первых, не хватало высокотехнологичного оборудования и часто использовались кустарные технологии. «Было очень мало специалистов, люди не знали, как производить ПБВ высокого качества. Доходило до того, что иногда просто смешивали битум с полимером в бочке»,— отмечает господин Копылов. А это на самом деле непростой процесс: на каждую марку битума есть специальная рецептура, и если ее не соблюдать, результата не будет. Из-за «кустарного» применения полимерные материалы заработали негативную репутацию.
Сейчас ситуация изменилась. Дмитрий Орлов, начальник департамента битумных материалов «Газпром нефти», отмечает: «Сегодня нефтяные компании заказывают качественные установки из Италии, которые помогают добиться нужного качества материалов. Так, на Омском НПЗ «Газпром нефти» работает современное производство битумных материалов, реконструирована большая битумная установка на Московском НПЗ мощностью 1,7 млн тонн ежегодно». Есть специалисты, в том числе приезжающие из Европы, которые могут обучать производству, хранению, транспортировке, контролю качества полимерно-битумных вяжущих. Во всех значимых новых проектах федеральных трасс предусмотрено применение ПБВ в верхних слоях — например, это обязательное условие при реконструкции федеральной трассы М-4 «Дон», которую сейчас ремонтируют к Олимпиаде.
Химия глубокого залегания
Если модифицирующие добавки в битум применяются в верхнем слое покрытия дорог, то для более глубоких слоев дорожного пирога (основания, откосы, насыпи, дренажи) применяются другие современные материалы — геосинтетические.
Это класс полимерных строительных материалов, которые в дорожном строительстве выполняют функции армирования, разделения и дренирования.
В мире выпускается более 400 видов геосинтетических материалов, совокупный объем производства достигает 1 млрд кубических метров в год, причем примерно половина используется в дорожном строительстве.
Геосинтетические материалы подразделяются на несколько классов: геотекстили (нетканые и тканые), геосетки и георешетки, геомембраны, геокомпозитные материалы. Для производства геосинтетиков используют полиэфиры, полиамид, полипропилен, полиэтилен и другие полимеры. Выбор конкретного полимера, а также способ изготовления материала зависят от назначения геосинтетических материалов и выполняемой ими функции (армирования, разделения или дренирования). Поэтому вопрос эффективности применения таких материалов нужно рассматривать индивидуально. Но в целом их использование при строительстве и ремонте дорог обеспечивает повышение долговечности дорожной конструкции, увеличение межремонтных сроков, сокращение сроков строительства, снижение стоимости проекта. «Геосинтетика не материалоемкая, что позволяет упростить логистику. Другое важное преимущество состоит в том, что она позволяет не только заменить традиционные материалы, но и снизить объем их использования, например уменьшить толщину слоя щебня. При этом, как правило, снижается цена строительства и возрастает его качество»,— объясняет Александр Фомин, заведующий отделом геотехники и геосинтетических материалов ФГУПРосдорНИИ.
Экономию от использования геоматериалов иллюстрирует простой пример из российской практики. При обустройстве проездов и площадок завода «Роллтон» в Московской области строители уложили два участка дороги — с применением георешетки и без нее. В конструкции с применением геоматериала слой гранитного щебня был вдвое тоньше, поэтому экономия на 1 кв. м дороги составила 75 руб. 46 коп. В среднем, используя геосинтетические материалы, на 1 км двухполосной дороги можно сэкономить около 0,5 млн руб.
За рубежом геосинтетику используют из соображений экономии уже давно — с 60-х годов прошлого века. Сначала применялось всего два-три вида геосинтетических материалов, но со временем их спектр значительно расширился: к геосинтетическим нетканым материалам добавились материалы для армирования, объемного армирования, дренирования и т. д. В разных странах уровень применения геосинтетики разный, но везде она широко используется. Особенно во Франции, в Германии, США, скандинавских странах. «В США есть Институт геосинтетических материалов. В Китае это направление развилось буквально за несколько лет, и теперь они производят не только сами геосинтетические материалы, которыми пользуется весь наш Дальний Восток, но и оборудование для их производства, которое используют многие российские компании»,— рассказывает Александр Фомин.
В России геосинтетические материалы тоже применяются. По данным Росавтодора, суммарный эффект от использования геосинтетических материалов в сети федеральных автомобильных дорог в 2009-2010 годах составил около 100 млн руб. при объеме использования 1,5 млн кв. м. Правда, по словам господина Фомина, это в основном привычные нетканые материалы, а не весь спектр доступных новых технологий. Между тем начиная с 2007-2008 годов в стране производится практически весь ассортимент геосинтетических материалов, и эффект от применения их в России мог бы быть еще больше, но его сдерживает в основном недостаточность нормативной базы.
Многие развитые страны, такие, как США, Великобритания, Германия, Франция и т. д., имеют набор нормативно-методических документов, которые позволяют решать стоящие перед отраслью задачи. Сегодня можно выделить две тенденции в развитии нормативной базы: европейскую, основанную на немецких стандартах, и американскую, основанную на стандартах США (ASTM). При этом во всех странах на первом этапе создания нормативной базы акцент делался на преобладавший тогда нетканый геотекстиль. С образованием в 1983 году Международного общества по геосинтетикам (IGS) нормы стали вырабатываться с учетом всего спектра геосинтетических материалов. В США этот процесс идет быстрее, чем в ЕС: сегодня действует более 40 стандартов ASTM по геосинтетикам, разработанных национальным комитетом D-35. Одновременно по инициативе международных организаций идет процесс гармонизации нормативов разных стран.
В России в 2008 году создано отделение IGS. Сегодня нормативная база хотя и развивается, но в большей степени направлена на испытание новых материалов, тогда как для широкого их внедрения должна быть в первую очередь регламентирована область применения подобных материалов, методика проектирования, технические требования. «Проектировщикам нужно понимать, каково применение материала, какова его прочность. А сейчас, в отсутствие этих нормативов, они часто предпочитают не связываться с новыми материалами, ограничиваясь традиционными, ведь велик риск применить либо не то, либо не тогда, когда нужно. Это главная проблема»,— полагает господин Фомин.
Есть надежда, что после того, как нормативы будут доработаны и дополнены, геосинтетику в России станут применять активнее и «сроки годности» российских дорог если не догонят европейские, то хотя бы приблизятся к ним.