На нашем ресурсе регулярно публикуются материалы, которые посвящены графену и потенциальным сферам его практического применения. Традиционно данный материал ассоциируется с очень высокотехнологичными отраслями, такими как та же современная электроника, нанотехнологии и солнечная энергетика. В связи с этим использование графена в дорожном строительстве может показаться нетипичным решением. Тем не менее исследования, проведенные специалистами итальянских компаний Directa Plus (производителя продуктов на основе графена) и Iterchimica (специализирующейся на добавках к асфальту), подтвердили, что включение графена в состав дорожного покрытия позволяет значительно повысить его прочность, качество и эксплуатационный ресурс. Усилиями специалистов этих двух компаний была разработана добавка Eco Pave на основе технологии Graphene Plus, на которую недавно была подана соответствующая патентная заявка.

Улучшение качества асфальтового покрытия при добавке графена получается за счет высокой удельной тепловой проводимости этого материала. Такой “графенированный” асфальт не сильно размягчается при высокой температуре окружающей среды, и не сильно затвердевает и не трескается при низких температурах. При этом, высокая механическая прочность графена увеличивает эластичность и прочность асфальта, что уменьшает износ дорожного покрытия. Проведенные испытания показали, что графеновая добавка Eco Pave может увеличить срок службы дорожного покрытия с нынешних 6-7 лет до 12-14 лет, т.е. в два раза.

Помимо использования добавки Eco Pave при прокладке новых дорог, асфальт с ней может быть использован для ремонта трещин и выбоин в дорогах с обычным покрытием. Помимо этого, покрытие с добавкой Eco Pave можно использовать повторно на все 100 процентов, для этого потребуется лишь размельчить старый асфальт, нагреть его и добавить немного нового пластификатора.

Компании Directa Plus и Iterchimica уже провели испытания асфальта с добавкой Eco Pave в лабораторных условиях, а в ближайшее время будет проложен участок автомобильной дороги с новым покрытием. Несмотря на использование “высокотехнологичного” графена, стоимость добавки Eco Pave, согласно обещаниям компаний Directa Plus и Iterchimica, будет находиться на приемлемом уровне. Затраты на приобретение этой добавки в будущем окупятся во много раз за счет снижения затрат на ремонт дорог и на замену отработавшего свой срок дорожного покрытия.

Для любознательныз

Секрет прочности асфальта с графеном в уникальных свойствах самого графена и в том, как он взаимодействует с компонентами асфальта. Я подобрала главные механизмы — сразу оговорюсь: для эффекта обычно хватает совсем небольшой доли добавки (например, 0,1–0,5% от массы битума), но критически важно, чтобы графен равномерно распределился в смеси.

Вот за счёт чего растёт прочность:

• Армирующая сеть. Графен (часто в виде нанотрубок или нанопластин) формирует в асфальтобетоне тонкую армирующую сеть. Она берёт на себя часть механических нагрузок, повышая общую устойчивость покрытия к деформациям — например, к образованию колеи от тяжёлого транспорта.
• Укрепление связей на молекулярном уровне. У графена огромная площадь поверхности. Он активно взаимодействует с компонентами битума — в частности, с асфальтенами (сложными молекулярными фракциями). Возникают дополнительные связи (в том числе водородные), которые усиливают «связку» между битумом и каменным заполнителем (щебнем, песком). В результате вся структура становится монолитнее и лучше сопротивляется разрушению.
• Повышение жёсткости и сопротивления нагрузкам. Добавка графена увеличивает модуль упругости смеси. Это значит, что под той же нагрузкой асфальт с графеном деформируется меньше, чем обычный. В испытаниях фиксировали рост статического модуля упругости до 34%, а прочности при изгибе — до 20%. Также улучшается усталостная долговечность: покрытие дольше сопротивляется накоплению повреждений от циклических нагрузок (постоянный проезд машин).
• Улучшение температурной стабильности. Графен помогает сдвинуть точку размягчения битума в сторону более высоких температур. Летом покрытие меньше размягчается под палящим солнцем и не «плывёт». Одновременно улучшается поведение при низких температурах: снижается риск появления трещин из-за холода.
• Замедление старения и защита от влаги. Графен усложняет диффузию кислорода вглубь асфальтовой матрицы, тем самым тормозя окислительное старение битума. А ещё такая добавка часто снижает чувствительность смеси к воде: вода меньше проникает в структуру, не размягчает битум и не провоцирует отслоение камня, что напрямую сохраняет прочность во влажных условиях.

В итоге все эти эффекты складываются: асфальт с графеном действительно служит дольше, меньше трескается, устойчивее к колеям и перепадам температур. Правда, есть и нюанс: если графен распределился неравномерно, в смеси могут появиться зоны локальной концентрации напряжений, и тогда вместо пользы получится дефект. Поэтому на производстве уделяют особое внимание технологии введения добавки.

Над асфальтом с добавками графена сейчас работают сразу несколько команд — и компании, и научные институты. Мы подобрали основные примеры, чтобы было понятнее, кто чем занимается.

• Versarien (Великобритания). Компания создаёт продукт Graphene Enhanced Bitumen (GEB). Она активно сотрудничает с дорожными администрациями — например, в Уэльсе, Сингапуре и Нидерландах, чтобы продемонстрировать преимущества своей технологии.
• Premier Graphene (США). У них есть собственная запатентованная рецептура. В лабораторных тестах добавление графена (примерно 0,5% от массы) показало рост вязкости смеси и улучшение стабильности на 70% по сравнению с обычным асфальтом. Компания планирует масштабировать технологию и тестировать смесь в разных климатических зонах.
• OCSiAl (Россия). Эта компания (входит в портфель «Роснано») производит графеновые нанотрубки TUBALL. Их используют как добавку в дорожный битум: нанотрубки формируют в асфальтобетоне армирующую сеть, что повышает колеестойкость, предел прочности при сжатии и усталостную долговечность. В России уже были практические шаги: после того как Минтранс признал разработку перспективной, уложили экспериментальный участок на федеральной трассе М-4 «Дон».
• Научные группы. Исследования ведут и в институтах. Например, в России этим занимаются Институт проблем химической физики РАН, Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарева, Институт нанотехнологий и электроники РАН. Учёные ищут оптимальные способы синтеза графена и его комбинации с другими материалами (например, с оксидом графена или полиуретаном), чтобы ещё лучше бороться с старением асфальта, улучшать устойчивость к ультрафиолету и воде.

Обычно подход такой: производители графена или добавок сотрудничают с дорожно-строительными компаниями — вместе проводят лабораторные испытания, а затем тестируют смесь в реальных условиях на тестовых участках.