Abstract and keywords
Abstract (English):
The development and implementation of road surfaces resistant to temperature extremes and high technogenic loads is one of the important tasks for road workers. These surfaces must be economically viable for production. Since the known methods for improving the physicomechanical properties of a binder for asphalt concrete involve the introduction of expensive foreign polymers. Rubber crumb, being a waste of production, allows to solve the problem with the disposal of used tires, and the cost of such a modifier for road bitumen is lower than foreign polymers. The article describes an example of using a rubber crumb to modify the road binder in asphalt concrete. The compositions of bitumen-rubber suspensions, the determination of the physicomechanical properties of a modified binder are described. The test results of asphalt concrete with a bitumen-rubber binder are given. A comparative analysis of asphalt concrete on bitumen oil road viscous and asphalt concrete on a modified binder is carried out. The purpose of this work is to develop a theoretical justification and practical application of a bituminous-rubber binder obtained by combining oil road bitumen with rubber crumb. Material processing takes place in the microwave field. The resulting bitumen-rubber composite surpasses viscous petroleum bitumen in physical and mechanical properties and is suitable for use as a binder for the production of high-quality asphalt concrete.

Keywords:
bitumen, crumb rubber, physical and mechanical properties, oil pitch, oil fuel
Text
Publication text (PDF): Read Download

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
водостойкости
при длительном
водонасыщении

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.

References

1. Konovalov N.P. Application of microwave energy for processing coal and rubber waste into liquid products [Primenenie SVCH-energii dlya pererabotki uglya i othodov reziny v zhidkie produkty]: dis. doc. those. sciences. Moscow, 2001. Pp. 150-155.

2. Akimov A.E. Improving the quality of asphalt concrete by treating bitumen with an ultra-high frequency field [Povyshenie kachestva asfal'tobetona putem obrabotki bituma polem sverhvysokoj chastoty]: dis., cand. tech. sciences. Belgorod, 2010. Pp. 53-58

3. Okressa E. Microwave energy [SVCH-energetika]. Moscow: Mir Publishing House, 2009. 463 p.(rus)

4. Month L.D. The generation of powerful nanosecond pulses [Generirovanie moshchnyh nanosekundnyh impul'sov]. Moscow: Radio Publishing House, 2010. 256 p. (rus)

5. Nikolsky V.V. Electrodynamics and radio wave propagation [Elektrodinamika i rasprostranenie radiovoln]. Moscow: Science Publishing House; 2012.143 p.(rus)

6. Arkhangelsk Yu.S., Devyatkin I.I. Microwave heating installations for the intensification of technological processes [Sverhvysokochastotnye nagrevatel'nye ustanovki dlya intensifikacii tekhnologicheskih processov]. Saratov: Publishing house of Saratov University. 2014.140 p. (rus)

7. Dukhin S.S., Deryagin B.V. Electrophoresis [Elektroforez]. Moscow: Publishing House of Science. 2013.336 p.(rus)

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. Pp. 222-234.

13. Kotov Yu.A., Osipov V.V., Ivanov M.T. Modified bitumen [Modificirovannye bitumy]. Moscow: Publishing house ZhTF. 2015. P. 76.(rus)

14. Tsodikov M.V., Perederiy M.A., Karaseva M.S. The use of polymer bitumen binders [Primenenie polimerbitumnyh vyazhushchih]. Russian Nanotechnology. 2007. No. 1. Pp. 153-155.(rus)

15. Tsodikov M.V., Perederii M.A., Karaseva M.S. Rubber-bitumen binders [Rezino-bitumnye vyazhushchie]. High technology. 2007. No. 4. Pp. 49-57.(rus)

16. Nosov V.P. Increasing the service life of pavements is a strategic task of road science [Uvelichenie srokov sluzhby dorozhnyh odezhd - strategicheskaya zadacha dorozhnoj nauki]. Highways. 2006. No. 12. Pp. 81-86.(rus)

17. Solomentsev A.B. Classification and nomenclature of modifying additives for bitumen [Klassifikaciya i nomenklatura modificiruyushchih dobavok dlya bitumov]. Science and technology in the road industry. 2008. No. 1. Pp. 14-16.(rus)

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. Zhelezko T.V. The structure and properties of asphalt binders [Struktura i svojstva asfal'tovyazhushchih]. Izv. universities. Construction. 2016. No3. Pp. 35-42.(rus)

20. Rudensky A.V. Increasing the durability of asphalt concrete by the introduction of an active complex modifier [Povyshenie dolgovechnosti asfal'tobetonov vvedeniem aktivnogo kompleksnogo modifikatora]. Building materials. 2011. No. 10. Pp. 10-11. (rus)


Login or Create
* Forgot password?