с 01.01.2016 по настоящее время
Иркутский национальный исследовательский технический университет (автомобильных дорог )
аспирант с 01.01.2016 по настоящее время
ИРКУТСК, Россия
докторант
, Россия
сотрудник
, Россия
аспирант с 01.01.2016 по настоящее время
, Россия
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.15 Технология производства строительных материалов и изделий
ОКСО 08.04.01 Строительство
ББК 303 Сырье. Материалы. Материаловедение
ТБК 5415 Строительные материалы и изделия. Производство стройматериалов
BISAC TEC021000 Materials Science / General
В статье рассмотрен пример использования таких отходов как резина, для модификации дорожного вяжущего в асфальтобетоне. В большей степени качество асфальтобетона определяется свойствами применяемого вяжущего – битума. Резиновая крошка является перспективным модификатором дорожных битумов, что определяется органическим сродством с компонентами битума. Значительное количество не используемых для регенерации старых автомобильных шин и перспективы развития мощностей по дроблению резины создают предпосылки для широкого использования вулканизованной дробленой резины в дорожном строительстве для повышения эксплуатационных свойств асфальтобетонных покрытий.
битум, резиновая крошка, физико-механические свойства, нефтяной пек, нефтяной мазут.
Введение. В процессе производственной и бытовой деятельности человека образуется большое количество отходов, в частности, полимеров [1]. Полимеры – это высокомолекулярные соединения, имеющие различные химические составы и структуры. К полимерам относятся термопласты, термоэластопласты, эластомеры (каучукоподобные и каучуки). Существующие технологии использования вторичного резинового сырья решают проблему конкретного производства, а бытовые отходы эластомеров остаются без внимания. На севере России большая проблема переработки изношенных шин автомобилей [2]. Вывозят изношенные шины автомобилей в отработанные карьеры для захоронения. Где резина в процессе старения разрушается, соответственно происходит загрязнение окружающей среды [3]. Для снижения экологической нагрузки необходимы комплексные подходы переработки резинотехнических отходов и техногенного резинового сырья (автомобильных шин), разработка новых эклогически чистых технологических процессов [4]. Изношенные автомобильные покрышки – отходы сферы потребления. Основным продуктом переработки покрышек является резиновая крошка [5].
Материалы и методология. Исходными материалами для приготовления вяжущего использовались резиновая крошка фракции 2,5 мм, нефтяной пек, нефтяной мазут и битум нефтяной дорожный вязкий марки БНД 100/130. Физико-механические свойства вяжущего определяли на приборах: температуру размягчения на приборе КиШ-20М4, температуру хрупкости на АТХ-20, растяжимость на ДБ-2М, адгезию к каменным материалам с помощью емкости объемом 1000 мл и штатива. Для приготовления асфальтобетона тип Б марки II использовались минеральные материалы: щебень из гравия карьер «Иркутный» фракции от 5 до 10 мм и св. 10 до 20 мм, песок из отсевов дробления карьер «Иркутный» крупный класс II, минеральный порошок из карбонатных горных пород карьера «Перевал». Формование образцов асфальтобетона производилось на прессе ИП-1А-500АБ, ф форме диаметром
71,5 мм. Физико-механические свойства асфальтобетона измерялись на приборах: на прессе ДТС-06-50 предел прочности при сжатии при температурах 20 °С, 50 °С и 0 °С, определение предела прочности водонасыщенных образцов; при определении средней плотности и водонасыщении использовались весы лабораторные электронные ВЛТЭ-2100/5100, емкость объемом 20 литров.
Основная часть. На первом этапе изготовлено модифицированное вяжущее для асфальтобетона. Изначально изготавливаем 5 составов вяжущего с разными содержаниями резиновой крошки, нефтяного пека и мазута. В битум, нагретый до жидкого состояния в сушильном шкафу при температуре 150 °С, добавляем резиновую крошку, нефтяной пек и нефтяной мазут. Компоненты дозировались в процентах от содержания битума, битум принимаем за 100 %. Соотношение компонентов в процентах приведено в таблице 1.
Таблица 1
Соотношения компонентов
|
№п/п |
Компоненты |
Номера составов |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
|
1 |
Битум |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
|
2 |
Резиновая крошка |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
3 |
Нефтяной мазут |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
4 |
Нефтяной пек |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
Смешение компонентов осуществляется в герметичном реакторе под воздействием СВЧ излучения с постоянным перемешиванием. Образующиеся в процессе газы, поступают в теплообменник, и отводятся в приёмную ёмкость. [6] Смешивание проводилось в течение 2 часов при температуре 185 °С. Далее составы были дополнительно обработаны на высокоскоростном диспергаторе в течении 10 минут при температуре 160 °С. Результаты по определению физико-механических свойств вяжущего приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты физико-механических испытаний вяжущего
|
№п/п |
Наименование показателя |
Номер состава |
Показатели |
|
|
Единичное значение |
Среднее значение |
|||
|
1 |
Температура размягчения, °С |
1 |
+46,5 |
+46,6 |
|
+46,6 |
||||
|
+46,6 |
||||
|
2 |
+47,8 |
+47,8 |
||
|
+47,8 |
||||
|
+47,7 |
||||
|
3 |
+48,0 |
+48,2 |
||
|
+48,3 |
||||
|
+48,2 |
||||
|
4 |
+50,0 |
+50,1 |
||
|
+50,2 |
||||
|
+50,0 |
||||
|
5 |
+50,2 |
+50,2 |
||
|
+50,1 |
||||
|
+50,2 |
||||
|
2 |
Температура хрупкости, °С |
1 |
-20,0 |
-20,0 |
|
-20,1 |
||||
|
-20,0 |
||||
|
2 |
-21,0 |
-21,0 |
||
|
-20,9 |
||||
|
-21,0 |
||||
|
3 |
-21,0 |
-21,1 |
||
|
-21,1 |
||||
|
-21,1 |
||||
|
4 |
-21,7 |
-21,8 |
||
|
-21,8 |
||||
|
-21,7 |
||||
|
5 |
-22,0 |
-22,0 |
||
|
-22,1 |
||||
|
-22,0 |
||||
окончание таблицы 2
|
3 |
Растяжимость при 0 °С, см |
1 |
3,9 |
4,0 |
|
4,0 |
||||
|
4,0 |
||||
|
2 |
4,3 |
4,3 |
||
|
4,3 |
||||
|
4,2 |
||||
|
3 |
4,5 |
4,5 |
||
|
4,6 |
||||
|
4,4 |
||||
|
4 |
4,5 |
4,6 |
||
|
4,6 |
||||
|
4,6 |
||||
|
5 |
4,8 |
4,9 |
||
|
4,9 |
||||
|
4,9 |
Результаты испытаний на адгезию к каменным материалам, таким как гранит, базальт и щебень из гравия, составы №1 и №2 не выдержали к граниту, остальные все составы ко всем каменным материалам испытание выдержали.
По результатам, приведенным в таблице 2 можно сделать выводы, что составы №4 и №5 по своему содержанию однородны, резиновая крошка растворилась, что говорит о высоких физико-механических результатах испытаний, высокая температура размягчения, низкая температура хрупкости и достаточно хорошая растяжимость. Составы №4 и №5 выбраны в качестве вяжущего для асфальтобетона.
На втором этапе произведен замес асфальтобетона тип Б марка II на вяжущих №4 и №5, а также один состав на битуме БНД 100/130 в качестве эталонного образца. Состав асфальтобетона: щебень из гравия фракции св.10 до 20 мм – 22 %, щебень из гравия фракции от 5 до 10 мм – 21 %, песок из отсевов дробления – 52 %, минеральный порошок – 5 %, вяжущее – 5,7 %. Минеральные материалы изначально высушены до постоянной массы. После точного дозирования щебень из гравия и песок из отсевов дробления помещены в сушильный шкаф на 2 часа при температуре
165 °С, вяжущее нагревалось отдельно 1,5 часа при температуре 140 °С. Далее на горячую смесь щебня из гравия и песка из отсевов дробления, высыпали минеральный порошок и налили вяжущее. Затем смесь грелась в сушильном шкафу 1 час при температуре 150 °С периодически через каждые 15 минут перемешиваясь. Далее из смеси формовали образцы диаметром 71,5 мм. Образцы перед испытаниями выдержали на воздухе при комнатной температуре 1 сутки. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12801-98. Результаты испытания асфальтобетона приведены в таблице 3. Состав №1 – на битуме БНД 100/130, состав №2 – на вяжущем №4, состав №3 – на вяжущем №5.
Таблица 3
Результаты физико-механических результатов испытаний асфальтобетона
|
№п/п |
Наименование показателя |
Номер состава |
Показатели |
|
|
Единичное значение |
Среднее значение |
|||
|
1 |
Предел прочности при сжатии, МПа при температуре: |
|
|
|
|
20 °С |
1 |
2,58 |
2,59 |
|
|
2,59 |
||||
|
2,59 |
||||
|
2 |
2,58 |
2,58 |
||
|
2,58 |
||||
|
2,59 |
||||
|
3 |
2,64 |
2,65 |
||
|
2,65 |
||||
|
2,65 |
||||
продолжение таблицы 3
|
50 °С |
1 |
1,27 |
1,28 |
|
|
1,28 |
||||
|
1,28 |
||||
|
2 |
1,34 |
1,33 |
||
|
1,32 |
||||
|
1,33 |
||||
|
3 |
1,54 |
1,55 |
||
|
1,55 |
||||
|
1,55 |
||||
|
0 °С |
1 |
8,01 |
8,00 |
|
|
8,00 |
||||
|
8,00 |
||||
|
2 |
7,59 |
7,58 |
||
|
7,57 |
||||
|
7,58 |
||||
|
3 |
8,00 |
8,02 |
||
|
8,03 |
||||
|
8,02 |
||||
|
20в °С |
1 |
2,53 |
2,54 |
|
|
2,55 |
||||
|
2,54 |
||||
|
2 |
2,59 |
2,60 |
||
|
2,60 |
||||
|
2,60 |
||||
|
3 |
2,83 |
2,83 |
||
|
2,82 |
||||
|
2,83 |
||||
|
20дл °С |
1 |
2,41 |
2,40 |
|
|
2,40 |
||||
|
2,40 |
||||
|
2 |
2,47 |
2,48 |
||
|
2,47 |
||||
|
2,49 |
||||
|
3 |
2,59 |
2,60 |
||
|
2,60 |
||||
|
2,60 |
||||
|
2 |
Средняя плотность, г/см3 |
1 |
2,36 |
2,36 |
|
2,36 |
||||
|
2,35 |
||||
|
2 |
2,37 |
2,37 |
||
|
2,37 |
||||
|
2,37 |
||||
|
3 |
2,38 |
2,38 |
||
|
2,37 |
||||
|
2,38 |
||||
|
3 |
Водонасыщение, % по объему |
1 |
3,03 |
3,02 |
|
3,02 |
||||
|
3,00 |
||||
|
2 |
2,98 |
2,97 |
||
|
2,97 |
||||
|
2,95 |
||||
|
3 |
2,83 |
2,83 |
||
|
2,85 |
||||
|
2,82 |
||||
|
4 |
Коэффициент водостойкости |
1 |
0,98 |
0,98 |
|
0,98 |
||||
|
0,98 |
окончание таблицы 3
|
2 |
1,00 |
1,00 |
||
|
1,01 |
||||
|
1,00 |
||||
|
3 |
1,07 |
1,07 |
||
|
1,06 |
||||
|
1,07 |
||||
|
5 |
Коэффициент |
1 |
0,93 |
0,93 |
|
0,93 |
||||
|
0,93 |
||||
|
2 |
0,96 |
0,96 |
||
|
0,96 |
||||
|
0,96 |
||||
|
3 |
0,98 |
0,98 |
||
|
0,98 |
||||
|
0,98 |
Данные представленные в таблице 3 показывают положительное влияние модифицированного вяжущего на физико-механические свойства асфальтобетона [7]. Состав с вяжущим №5, где наибольшее содержание резиновой крошки, показал более высокие показатели. Плотность выше, чем у состава на битуме БНД 100/130, показатели водостойкости, как при длительном, так и при простом водонасыщении так же выше. Водонасыщение меньше, что говорит о меньшем содержании пор и более плотном составе. Предел прочности на сжатие при температуре 50 °С высокий, что говорит о теплостойкости асфальтобетона, предел прочности на сжатие при 0 °С показывает высокую трещиностойкость в зимний период. Так же дополнительно смеси были исследованы на адгезию. Полученные результаты показали отличную адгезию по 5 шкале на 5 баллов состав №3 на вяжущем с максимальным содержанием резиновой крошки и состав №2, на 4 балла состав №1.
Выводы. Проведенные в работе исследования показывают, что добавление резиновой крошки в битум, позволяет повысить его физико-механические свойства, такие как температура размягчения, температура хрупкости и растяжимость [8]. Получается вяжущее, которое является практически аналогом полимебитумного вяжущего, только с использованием отходов резины. Установлено, что асфальтобетон на модифицированном вяжущем позволяет повысить физико-механические свойства, такие как водостойкость, плотность, предел прочности при сжатии при температурах 20 °С, 0 °С, 50 °С, понизить водонасыщение [9]. Изношенные шины это эластомерный материал с уникальными свойствами. Производство резиновых изделий, а именно автомобильных шин увеличивается с каждым годом, соответственно растут отходы, что неблагоприятно влияет на окружающую среду [10]. Резиновая крошка, получаемая из отходов резины, является уникальным модификатором вяжущего для асфальтобетона. Так как по сравнению с каучуками более устойчива к окислительному воздействию кислорода воздуха, обладает высокой устойчивостью к солевым растворам и воде. В своем составе резиновая крошка содержит полимеры, пластификаторы и антиоксиданты, благодаря им повышается устойчивость вяжущего в условиях эксплуатации.
1. Коновалов Н.П. Применение СВЧ-энергии для переработки угля и отходов резины в жидкие продукты: диссертация док. тех. наук. М., 2001. С. 150–155
2. Акимов А.Е. Повышение качества асфальтобетона путем обработки битума полем сверхвысокой частоты: диссертация канд. техн. наук. Б., 2010. С.53–58
3. Окресса Э. СВЧ–энергетика. М.: Изд-во Мир, 2009. 463 с.
4. Месяц Л.Д. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Изд-во Радио, 2010. 256 с.
5. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Изд-во Наука; 2012. 143 с.
6. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. С.: Изд-во Саратовского ун-та. 2014. 140 с.
7. Духин С.С., Дерягин Б.В. Электрофорез. М.: Изд-во Наука. 2013. 336 с.
8. Potyondy D.O. Geosystem Engineering. Engineering. 2015. Vol.23. Pp. 131–139.
9. Zhang D., Whiten W. Powder Technology. Concrete. 2010. Vol. 9. Pp 205–212.
10. Mullahmetov N.R., Kemalov A.F., Kemalov R.A., Kostromin R.N. Modification of road bitumen with rubber // Rubber. 2005. Vol 12. Pp 123–129.
11. Yamashita K., Nagai M. // Materials science. 2012. Vol. 32. Pp. 124–129.
12. Chiu R.C., Garino T.J. // Ceramic materials. 2014. Vol.76. Pр. 222–234.
13. Котов Ю.А., Осипов В.В., Иванов М.Т. Модифицированные битумы. М.: Изд-во ЖТФ. 2015. С. 76.
14. Цодиков М.В., Передерий М.А., Карасева М.С. Применение полимербитумных вяжущих. Российские нанотехнологии. 2007. № 1. С. 153–155.
15. Цодиков М.В., Передерий М.А., Карасева М.С. Резино-битумные вяжущие // Наукоемкие технологии. 2007. № 4. С. 49–57.
16. Носов В.П. Увеличение сроков службы дорожных одежд – стратегическая задача дорожной науки // Автомобильные дороги. 2006. № 12. С. 81–86.
17. Соломенцев А.Б. Классификация и номенклатура модифицирующих добавок для битумов // Наука и техника в дорожной отрасли. 2008. № 1. С. 14–16.
18. Capitão S.D.Pavement engineering materials: Review on the use of warm-mix asphalt // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 36. Pp. 1016–1024.
19. Железко Т.В. Структура и свойства асфальтовяжущих // Изв. вузов. Строительство. 2016. №3. С. 35–42.
20. Руденский А.В. Повышение долговечности асфальтобетонов введением активного комплексного модификатора // Строительные материалы. 2011. № 10. С. 10–11.
