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.
