ИННОВАЦИОННОСТЬ ДОРОЖНОЙ ОТРАСЛИ – – ДОСТИЖЕНИЯ, ПРОБЛЕМЫ, ПУТИ РЕШЕНИЯ профессор, д-р техн. наук Илиополов С.К. заместитель директора департамента проектирования, технической политики и инновационных технологий Государственной компании «Автодор» Трудно сегодня переоценить важность задачи по ускорению темпов освоения инновационных технологий и материалов в дорожном строительстве. Трудно потому, что автомагистрали, которые строит Государственная компания, должны отличаться не только увеличенными межремонтными сроками, но и повышенными потребительскими свойствами от комфорта и безопасности движения до сервиса, соответствующего самым высоким стандартам. При этом уровень этих требований, как со стороны пользователей автомобильных дорог, так и со стороны государства в последнее время существенно вырос. Для того, чтобы наиболее полно соответствовать ему нам необходимы принципиально новые не только методы проектирования и расчетные схемы, современная нормативно-техническая и правовая база, новые материалы и технологии, новая техника, но и система управления автомобильными дорогами. Подчеркну принципиально новые, поскольку традиционно применяемые, в большинстве своем, исчерпали свой потенциал модернизации и не могут обеспечить не только перспективный, но и современный потребительский спрос на качественные автомобильные дороги. Главные инновации, на наш взгляд, следует совершить именно в организационно-управленческой сфере. Объясняется это просто. Основная задача в повышении эффективности инновационной деятельности – создание условий, при которых потребность в принципиально новых технологических решениях стала бы не просто желанием Заказчика, а насущной потребностью бизнеса, непосредственно реализующего различные проекты в качестве Подрядчика. Поскольку целью любого бизнеса, как известно, является повышение его доходности, то самый простой способ ее достижения, используемый им – снижение издержек на каждом этапе его деятельности. Таким образом, решение этой задачи состоит в том, чтобы весь жизненный цикл автомобильной дороги, а не отдельные его части (проектирование, строительство, эксплуатация и содержание) был таким этапом. Только в этом случае поток новаций на стадиях проектирования и строительства пойдет широким фронтом, а время внедрения сократится до минимума, поскольку главным интересантом становится сам бизнес. И вектор движения меняется: «снизу-вверх», что делает весь процесс органичным и естественным (рис. 1). В противном случае, несмотря на любые усилия Заказчика, строгость и количество проверяющих, включая строительный контроль, затраты Подрядчика будут им минимизированы на каждом из вышеуказанных этапов. Поскольку инновации это практически всегда увеличение капитальных затрат на этапе их применения, минимизация будет осуществлена за их счет. 1 Именно по этой причине сегодня не существует альтернативы комплексным договорам, концессионным и инвестиционным соглашениям и другим формам государственно-частного партнерства, реализующим Контракты Жизненного Цикла строительства или реконструкции автомобильных дорог. В настоящее время компания реализует ряд проектов, которые мы считаем прорывными. В сфере управления состоянием автомобильных дорог компании - это разработка и внедрение инновационной системы, предусматривающей формирование принципиально нового подхода к управлению состоянием автомобильных дорог исходя из анализа их остаточного рабочего ресурса и включающей в себя следующие механизмы (рис. 2): - переход к нормированию и ежегодной оценке уровня транспортноэксплуатационного состояния автомобильных дорог компании по каждому году периода гарантийных обязательств подрядных организаций. Отсутствие, в настоящее время, четкого перечня дефектов и предъявление претензий по гарантийным обязательствам подрядным организациям по факту достижения недопустимых значений какого-либо показателя транспортно-эксплуатационного состояния дорожных покрытий является лишь констатацией фактов пригодной лишь для судебных исков. С точки зрения эффективности принятия управленческих решений в части сохранности дорог необходимо выявлять и решать проблемы на стадии их зарождения, а не ликвидировать последствия; - разработка методики оценки остаточного ресурса эксплуатируемых дорожных конструкций на основе анализа изменения параметров транспортного потока и состояния покрытий. Именно этот показатель станет основным критерием для обоснования принимаемых решений при планировании всех видов ремонтов на среднесрочную и долгосрочную перспективу. Таким образом, будет минимизирован «человеческий фактор» при разработке стратегии и оперативном управлении состоянием автомобильных дорог компании. - внедрение технологий моделирования состояния дорожных конструкций позволит аналитико-эмпирическим методом определять физико-механические характеристики каждого конструктивного элемента дорожной одежды, включая грунт рабочий слой земляного полотна, что позволит существенно повысить эффективность и «адресность» принимаемых решение при назначении ремонтных мероприятий; - внедрение предпроектной оценки фактического состояния конструктивных слоев дорожных одежд при проектировании объектов реконструкции и капитальных ремонтов автомобильных дорог компании как инструментария для обоснования и принятия оптимальных технических решений. Из собственных средств компании приобретен комплекс из шести передвижных лабораторий, включая, не имеющую аналогов в нашей стране, установку по определению динамической чаши прогиба. Таким образом, полностью завершено инструментальнотехническое обеспечение функционирования инновационной системы управления состоянием автомобильных дорог компании. Государственная компания ведет активную работу по развитию нормативнотехнической базы, в том числе, путем гармонизации с европейскими стандартами. Мы 2 активно участвуем в процессе совершенствования отраслевой нормативной базы. Одновременно с этим мы разрабатываем корпоративные стандарты, учитывающие особенности нашей деятельности и объектов ее управления. Яркий пример: завершение, совместно с ведущими нефтеперерабатывающими компаниями, комплекса мероприятий по решению застарелой проблемы дорожной отрасли – повышения качества битумов. Старт этому процессу был дан разработкой СТО АВТОДОР 2.1-2011 на битумы нефтяные дорожные улучшенные. Их выпуск стал возможен только полным перевооружением производства и уход от остаточного принципа получения битумов. Итог нашей совместной работы: отныне битум в России будет целевым кондиционным продуктом, отвечающим самым строгим запросом дорожной отрасли. Это если не революция, то масштабный прорыв. На сегодняшний день у нас есть подтверждение, по меньшей мере, одного производителя - ОАО «Газпром нефть» о начале промышленного выпуска улучшенных битумов по СТО Государственной компании с 2013 году на полностью переоборудованной установке. Мы пытаемся активно применять лучший европейский опыт на всех стадиях жизненного цикла автомобильной дороги. Проиллюстрирую на примере реализуемого нами эксперимента по проектированию участка автомобильной дороги М-4 «Дон» протяженностью 91 км от Каменск-Шахтинского до Новочеркасска в Ростовской области, по российским и немецким нормам. Результаты предварительной работы показали значительные отличия в подходах к проектированию автомагистралей по нормам Российской Федерации и ФРГ. Самые существенные из них (рис. 3): - расчетный срок службы дорожных одежд по нормативам ФРГ составляет 30 лет, по отечественным 18 лет; - расчетная скорость движения, принятая при проектировании геометрических элементов, составляет: для автобанах ФРГ -130 км/час, для автомагистралей РФ – 150 км/час, однако, при этом, в Германии нет ограничений максимально разрешенной скорости движения (она определяется водителем), в то время как у нас - 110 км/ч. Наши требования к геометрическим параметрам дорог более жесткие, а следовательно и существенно более затратные, однако не понятно зачем, если их преимущества не реализуются условиями движения. Тогда зачем неоправданно тратятся средства?; - за счет более гибких требований немецких норм к геометрическим параметрам автомобильной дороги объем земляных работ уменьшаются практически в 2 раза. При этом, верхние слои земляного полотна, как правило, устраивают из укрепленных грунтов; - ширина полос движения для легкового транспорта (левые полосы)- 3,5 метра вместо 3,75 по отечественным нормативам; - обочины устраиваются капитальными, по типу основной проезжей части шириною до 3,0 метров, что позволяет использовать их как остановочные полосы для аварийного транспорта, либо полосы движения транспорта в экстренных ситуациях. Но самым показательным оказалось сравнение затрат в течение всего жизненного цикла запроектированных в ходе эксперимента дорожных конструкций (рис. 4). На стадии строительства основные капиталовложения для конструкций рассчитанных по 3 отечественным нормативам оказались практически в 1,5 раза ниже, аналогичных затрат для автобанов ФРГ, а вот суммарные приведенные затраты на весь жизненный цикл в 1,8 раза выше. Причина в том, что строим мы дороги меньшей капитальности, экономим (даже на уровне требований действующих нормативных документов) на стоимости практически всех элементов дорожных конструкций, рассчитанных на 18 лет, а в итоге: тратим без малого в два раза больше за счет количества ремонтов в период эксплуатации. Для устранения этих дисбалансов необходимо совершить несколько стратегически важных и последовательных шагов: Во-первых, перейти на расчет стоимости автомобильных дорог исходя из приведенных, дисконтированных затрат всего их жизненного цикла; Во-вторых, проектировать и рассчитывать дорожные конструкции на 30-летний срок службы, что потребует существенного увеличения их капитальности; В-третьих, учитывать при экономическом обосновании принятия решений не только срок службы дорожных конструкций, но уровень их транспортно-эксплуатационного состояния в течение всего срока службы. Затрагиваю этот аспект лишь потому, что зачастую при определении капитальности дорожных конструкций рассматривают лишь их долговечность, декларируя или предполагая, что, например, ровность покрытий, как некий комплексный показатель состояния всех элементов конструкций будет нормативной. На деле все иначе, поскольку, чем ниже капитальность дорожных одежд, тем не просто ниже ее срок службы, но и хуже ее транспортно-эксплуатационные показатели в течение этого срока. Проиллюстрирую на следующем примере. Одна из основных причин отсутствия должного интереса в нашей стране к цементобетонным покрытиям как раз и состоит в уровне комфорта движения по ним. При этом повсюду можно услышать разговоры о 40-; 50-летнем и большем сроке их службы. Однако комфортно, на максимально разрешенных скоростях, по ним проехать можно, пожалуй, лишь первые пять-десять лет. В этих условиях имеет смысл говорить лишь о величине срока обеспечения круглогодичного проезда и не путать его со сроком службы; В-четвертых, нам необходимы инновационные методы конструирования дорожных одежд на основе учета особенностей их напряженно-деформированного состояния, обусловленного динамическим характером воздействия транспортных средств. Наращивание толщин слоев дорожных одежд, вызванное необходимостью увеличения их несущей способности, применяя традиционные материалы и конструктивные решения, приводит к существенно большему накоплению остаточных деформаций в их элементах. Нужно не просто рассчитывать дорожные одежды, а вернуться к их конструированию. Применять иные подборы асфальтобетонных и органо-минеральных смесей, существенно лучше сопротивляющихся динамическому воздействию современного интенсивного транспортного потока в части накопления остаточных деформаций и процессам усталостного разрушения. Все технические возможности их реализации, включая оснащенность современными асфальтобетонными заводами, у основных подрядных организаций, работающих на объектах строительства и реконструкции автомобильных дорог Государственной компании, имеются. В-пятых, необходимо пересмотреть область применения различных материалов для устройства дорожных одежд в зависимости не только от региональных погодно4 климатических условий регионов, но и от категории автомобильной дороги, исключив из дорожных конструкций не эффективные для условий их нагружения элементы. Самый яркий пример - применение пористых смесей в нижних слоях покрытий и в верхних слоях оснований. Установленные ГОСТом 9128-2009 нормативные требования к пористым смесям не предполагают даже оценки их прочности при 200С и 500С (для крупнозернистых смесей). При этом повсеместно слышны, страшащие сознание предупреждения о грядущих катастрофических последствиях изменения климата. Они касаются и дорожных покрытий. Существенно увеличилась не только температура верхних слоев покрытий в жаркий летний период (до 700С), но и температуры вышеуказанных слоев (430-450С). В этих условиях не работают пористые смеси без накопления остаточных пластических деформаций даже в случае соответствия требованиям отечественных стандартов. Появление же остаточных деформаций увеличивает динамическое воздействие транспортных средств на дорожную конструкцию (при неровности покрытия 5 мм, динамическое воздействие на дорожную конструкции увеличивается в 8-16 раз), ускоряя не только процесс дальнейшего накопления остаточных деформаций, но и существенно снижая остаточный ресурс всей дорожной конструкции. В верхних слоях оснований дорожных одежд к тому же в полной мере проявляется и неспособность пористых смесей эффективно сопротивляться усталостному трещинообразованию, что также снижает долговечность всей дорожной конструкции ввиду образования «прорастающих» снизу вверх усталостных трещин. Однако замену их на плотные асфальтобетонные смеси не позволяет осуществлять требования СНиПа 2.05.02-85, включенного, к тому же, в перечень нормативных документов обязательных к применению. В-шестых, необходимо в кратчайшие сроки пересмотреть систему дорожноклиматического зонирования территории Российской Федерации, хотя бы потому, что зон таких всего пять, тогда как в Украине, например, их семь только по условиям применения асфальтобетонов (не говоря уже о более развитых дорожных державах). В-седьмых, изменить действующую классификацию асфальтобетонных слоев дорожных одежд, с делением на нижний и верхний слой покрытия (основания), и перейти к международной практике «пакетирования» этих слоев. Это не дань моде, не копирование европейских подходов, а учет принципа их работы в конструкциях, где несущая способность обеспечивается не к отдельными слоями, а всем пакетом асфальтобетонных слоев: верхний слой покрытия - замыкающий или завершающий слой, соответственно нижний слой покрытия - связующий, а верхний слой основания - несущий слой. Теперь о функционале. Предназначение верхнего слоя покрытия (замыкающего слоя) это защита от внешних факторов воздействия: рабочий диапазон температур эксплуатации, нагрузки от транспортных средств в непосредственном контакте (рис. 5). При этом, особенность работы замыкающих слоев состоит в: - широком спектре температур воздуха (от –500С до +450С) в зависимости от климатических условий региона; - агрессивном воздействии солнечной радиации и погодно-климатических факторов, интенсифицирующих процессы старения битума в составе асфальтобетонов; 5 - поглощении лишь определенной части спектра частот, генерируемого динамическим воздействием движущегося транспорта. При этом воздействие на структуру асфальтобетона определяется физическими особенностями процесса (длины волн и частота) и приходится на границу разделения двух фаз: минеральный материал-асфальтовое вяжущее (рис. 6); - амплитуде и выраженности динамического воздействия, в существенной степени зависящей от комбинации трех параметров: массе автомобиля, скорости его движения и ровности поверхности покрытий; - дополнительном разогреве материала покрытий по полосам наката (5-70С) в летний период и повышенное истирание в зимний период в регионах использования шипованной резины. Таким образом, верхние слои покрытий должны быть исключены из расчетов дорожных одежд, поскольку функционально они решают задачи относящиеся к «компетенции» слоев износа. Противостоять же действию вышеуказанных факторов можно комплексом мер и приемов (рис. 7). Заключаются они в: - использовании улучшенных битумов, способных существенно более эффективно противостоять протеканию процессов старения; - обязательном применении поверхностно-активных веществ, повышающих адгезионные свойства битумов; - использовании для приготовления асфальтобетонных смесей битумов, модифицированных полимерными добавками или полимерно-битумных вяжущих; - внедрении «низкотемпературных» технологий хранения битумов на АБЗ, применение технологий, позволяющих снижать на 25-300С температуры приготовления асфальтобетонных смесей; - использовании веществ-антиаксидантов при приготовлении асфальтобетонных смесей, препятствующих старению битумов; - применении «каркасных» составов асфальтобетонных смесей с каменными материалами повышенной износостойкости. В части применения полимерасфальтобетонов необходимо дополнительно учитывать два фактора: - не следует ограничиваться применением только полимерно-битумных вяжущих. Право на существование должны иметь и битумы, модифицированные полимерными добавками, чтобы существенно расширить как спектр технологических приемов, так и конкурентную среду, учесть вопросы финансовой целесообразности и технической обоснованности; - не может быть универсального модификатора и выбор его должен осуществляться исходя из погодно-климатических особенностей региона. Выбор марки вяжущего, как и модификатора определяется региональными климатическими условиями. Для условий Мурманска, Екатеринбурга и Сочи нельзя подобрать и применять один тот же модификатор и битум. При этом, следует обратить особое внимание на определенные различия в воздействии полярных значений температур окружающего воздуха. Если, с токи зрения факторов риска возникновения остаточных пластических деформаций, важнейшую роль играет не только 6 максимальное значение высоких летних температур, но и длительность их воздействия (3-4 дня или 10-12 дней), то риск образования температурных деформационных трещин связан не столько с величиной отрицательных температур воздуха, сколько со скоростью их достижения. По этой причине значения показателей температуры хрупкости битума в предотвращении появления низкотемпературных трещин существенно преувеличено. Да и имеем дело мы в асфальтобетонах не с битумом, а с асфальтовым вяжущим. К тому же попытки достижения необоснованно заниженных температур хрупкости, зачастую приводят к технологическим приемам следствием которых явилось интенсивное колееобразование. В частности, и по этой причине мы исключили применение индустриального масла при приготовлении ПБВ. Использовать модификацию битумов полимерными добавками необходимо и в иных элементах пакета асфальтобетонных слоев для решения функциональных задач, определенных особенностями их напряженно-деформированного состояния при воздействии динамической нагрузки. Касается это дорог высших категорий с высокой интенсивностью движения и большим количеством в ее составе большегрузных транспортных средств. Нами успешно используются весьма эффективные методы полимерного дисперсного армирования асфальтобетонных материалов всех типов и марок. Однако все, о чем говорилось выше, не станет повседневной практикой и не будет широкомасштабно применяться, пока не будет закреплено положениями нормативнотехнической базы. В этой связи следует акцентировать внимание на еще одной проблеме. Состоит оно в том, что совершенствование нормативной базы ограничено не нехваткой средств. Это конечное звено в достаточно длинной цепочке пошаговых действий, от идеи, гипотезы, теоретических и экспериментальных исследований, изготовления опытных и серийных образцов, до их полномасштабной апробации. Так вот эта самая база для апробации как раз и отсутствует в нашей стране. В ближайшие годы, по крайней мере в дорожной отрасли, ситуация должна измениться к лучшему. В России создаются три полигона для испытаний дорожных конструкций и материалов. Один из них будет построен силами Государственной компанией на управляемой ею магистрали М-4 «Дон», протяженностью порядка 3 километров. Разработка проекта и строительство в соответствии с программой инновационного развития Государственной компании намечены на ближайшие два года. Основная цель – разработка долговечных дорожных конструкций устойчивых к воздействию интенсивного транспортного потока, с большим количеством высокоскоростных большегрузных автомобилей в его составе. Там же будут проходить не только испытания различных технологий и дорожно-строительных материалов, но и осуществляться адаптация инновационных зарубежных разработок, отдельных положений западных стандартов к региональным природно-климатическим особенностям Российской Федерации. Не могу не затронуть вопросов широкомасштабного применение композиционных материалов, которое сегодня инициируются на всех уровнях государственной власти. Крайне важно внести ясность в понимание уже устоявшегося и применяемого повсеместно термина – 7 композиционные материалы. Говоря о них, имеют ввиду, лишь полимерные стеклокомпозиты или углеродные композитные материалы. Для нас понятие композиционные материалы существенно более емкое, поскольку ими являются все искусственные конгломераты: асфальто- и цементобетоны, клеенные деревянные конструкции и т.д. (рис. 8). Теперь о полимерных стеклокомпозитах и проблемах их использования. В 2012 году они были применены на 32 наших объектах, предусмотрено их применение в проектных решениях по устройству шумозащитных (5.044 м.кв.) и противоослепляющих экранов (34.173 п.м.), а также 13 надземных пешеходных переходов (рис. 9). Однако реализовать строительство этих переходов на автомобильной дороге М-1 «Беларусь» не позволяет отрицательное решение Главгосэкспертизы. Причина – отсутствие нормативной базы и сколь-нибудь заметных шагов в этой части со стороны производителей, если не считать активность в «продавливании» своей продукции во всех эшелонах власти. Между тем, речь идет о безопасности, а следовательно, о жизнях людей и применять материалы, не зная насколько они устойчивы, например, к процессам старения от действия ультрафиолета, применять их повсеместно, по меньшей мере, безрассудно. Не менее важная задача - повышение экологической безопасности автомобильных дорог компании. Нами уделяется большое внимание оценке воздействия автомобильных дорог на окружающую среду и природоохранным мероприятиям (рис. 10). Разрабатывается «зеленый стандарт», опирающийся на лучшую международную практику, в рамках которого предусмотрен комплекс критериев экологической и энергетической эффективности, использования инновационных разработок в объектах дорожно-транспортной инфраструктуры и инженерных средств защиты окружающей среды для автомобильных дорог компании. Идет разработка стандарта, определяющего вторичное использование фрезерованного асфальтобетона в конструктивных элементах автомобильных дорог. Хочу остановиться еще на одной важнейшей задаче, стоящей перед дорожной отраслью - увеличение до 12 лет межремонтного срока эксплуатации автомобильных дорог с усовершенствованным типом покрытия. Указанная задача поставлена Презедентом Российской Федерации и решение ее осуществляется в рамках комплексных мер подготовленных и утвержденных Минтрансом России. Реализуя данное направление, Государственной компанией принят комплекс дополнительных требований: - к конструктивным решениям при проектировании дорожных одежд. Например, для устройства слоев оснований предпочтение отдается подобранным щебеночно-гравийнопесчаным смесям оптимального состава, дискретные каменные материалы в виде щебней, устраиваемых различными способами, к использованию запрещены, нижние слои покрытий устраиваются только из плотных асфальтобетонных смесей, применяются технологии полимерного дисперсного армирования асфальтобетонных слоев, в покрытиях используются только асфальтобетоны на модифицированных битумах и многое другое; - к кондиционному состоянию минеральных материалов и асфальтобетонных смесей. В частности, ужесточены требования к содержанию пылеватых и глинистых частиц, допустимой лещадности, условиям хранения фракций щебня на складах АБЗ и др. 8 - к выполнению основных технологических операций. На наших объектах используется современное дорожно-строительное оборудование, в частности, антисегрегационные перегружатели асфальтобетонных смесей, широкозахватные асфальтоукладчики с жесткой плитой и активным трамбующим брусом, внедряются 3Dтехнологии, позволяющие в автоматизированном режиме реализовывать проектные решения, передаваемые в подрядные организации в цифровом виде. Предусмотрены принципиальные изменения в подходах к конструированию дорожных одежд в части дисперсного армирования слоев оснований и покрытий, применения модифицированных битумов для устройства покрытий автомобильных дорог, ограничения области применения пористых асфальтобетонных смесей. Мы дали старт обязательному применению полимерно-битумных вяжущих и дисперсно-армирующих добавок в асфальтобетонах в слоях покрытий автомобильных дорог, должно обеспечить увеличение их межремонтных сроков на 40-45%, т.е. с 4 до 5-6 лет. Этот факт приобретает принципиальный характер в условиях значительного непрогнозируемого роста интенсивности движения, наблюдаемого на вводимых в эксплуатацию платных участках автомобильных дорог нашей компании. Так, к примеру, на платном участке обход с. Хлевное и г. Задонск автомагистрали М-4 «Дон» интенсивность движения в 2012 году скачкообразно увеличилась практически на 30%. Упомянутые мной Дополнительные требования – это единственный путь сохранения эксплуатационного ресурса дорожных конструкций и обеспечения плановых сроков проведения ремонта нежестких дорожных одежд. В заключении хочу еще раз подчеркнуть, что эффективность функционирования Государственной компании мы напрямую связываем с инновационностью всех сфер ее деятельности. Главная задача состоит в создании условий функционирования всех наших структурных подразделений в качестве инновационно восприимчивых и инновационно генерирующих элементов единой системы. Мы активно пытаемся сократить дистанцию между производителями инновационной продукции и ее потребителями не только на стадии производства работ, но и на стадии разработки проектной документации, считая это не только крайне важным, но и определяющим фактором продвижения новаций. С этой целью нами отлажена система проведения совместных совещаний с участием проектных организаций, подрядных строительных компаний и производителей современных технологий и оборудования. Это позволяет не только проинформировать проектные и подрядные организации об инновационных решениях и технологиях, обмениваться опытом их внедрения, но и самым оперативным образом установить прямые контакты и наладить взаимодействие всех звеньев инновационного процесса. Только в 2012 году проведено семь таких совещаний. Задач и нерешенных проблем еще достаточно много. Безусловно, без серьёзной научной поддержки их решить невозможно. Многогранность проблем в сфере создания современной дорожной сети определяет необходимость привлечения специалистов не только дорожной отрасти, но и в сфере менеджмента, информационных технологий, финансовых систем, материаловедения, других отраслей науки. В развитии инновационной деятельности 9 именно люди, обладающие профессиональной компетентностью, нравственным сознанием, широким кругозором, способностью конструктивно адаптироваться, являются самым главным фактором в поиске, разработке и внедрении новаций. 10