CC BY
27
УДК 678.58.625.85
Машкова А.А., Маркова М.А., Гайнутдинов А.Р., Сербин С.А., Олихова Ю.В.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Машкова Анастасия Алексеевна, студент 1 года магистратуры кафедры технологии переработки пластмасс; Маркова Мария Александровна, студент 1 года магистратуры кафедры технологии переработки пластмасс; Гайнутдинов Артем Романович, студент 4 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс; Сербин Сергей Александрович, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс; e-mail: tolikoserg@gmail.com
Олихова Юлия Викторовна, к.т.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева; Россия, 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9
В статье приведены результаты исследований по применению отходов резинотехнических изделий и бытовых полиолефиновых отходов в качестве модификаторов дорожных битумных вяжущих. Установлено, что их совместное использование позволяет расширить температурный диапазон эксплуатации вяжущих. Показано, что введение бифункциональной добавки способствует повышению адгезии модифицированных вяжущих к минеральному материалу.
Ключевые слова: битумные вяжущие, резиновая крошка, отходы полиолефинов, адгезия, прочность
ECOLOGICAL ASPECTS OF CREATING MATERIALS FOR ROAD CONSTRUCTION
Mashkova A A, Markova M.A., Gajnutdinov A.R., Serbin S.A., Olikhova Yu.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article presents the results of research on the use of waste rubbers and waste polyolefins as modifiers of road bituminous binders. It is established that their joint application allows to expand the temperature range of exploitation of the binders. It is shown that the introduction of a bifunctional additive promotes an increase in the adhesion of modified binders to mineral fillers.
Keywords: bitumen binders, waste rubber, waste polyolefines, adhesion, strength
Поддержание автомобильных дорог в состоянии, соответствующем требованиям растущих
транспортных потоков невозможно без применения новых, прогрессивных материалов. Практика эксплуатации автомагистралей в России показывает, что долговечность асфальтобетонных покрытий на них значительно ниже нормативных сроков.
Качество дорожного полотна зависит, прежде всего, от свойств вяжущего, которое содержится в асфальтобетоне в количестве 5-7 масс. %. В настоящее время, согласно действующим нормативам, при производстве асфальтобетонных смесей применяются полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) на основе стирол-бутадиен-стирольных блоксополимеров. Известно применение и других полимерных модификаторов, в том числе отходов различной природы и происхождения [1-4]. Введение в состав битумного вяжущего полимерных добавок позволяет в широких пределах регулировать теплостойкость, эластичность, деформационно-прочностные и другие свойства, что, однако, приводит к существенному повышению стоимости вяжущих и времени их приготовления.
Одним из направлений совершенствования состава ПБВ является введение в резиновой крошки. Как правило, используется мелкодисперсная крошка, размеры частиц которой не превышают 1-2 мм [5-8]. Это позволяет не только улучшить
свойства дорожного покрытия (повысить эластичность, долговечность и прочностные характеристики), но и снизить его стоимость по сравнению с ПБВ на основе блоксополимеров.
Источником применяемой резиновой крошки могут служить отходы резинотехнических изделий (ОРТИ), образующиеся как при их производстве, так и в процессе эксплуатации. Особенно велики объемы образующихся ОРТИ в виде изношенных автомобильных шин в местах дислокации горнодобывающих предприятий. В этом случае возможность применения ОРТИ в дорожном строительстве может сыграть немаловажную роль в улучшении экологического состояния целых регионов [9].
Другой возможностью решения экологической проблемы ликвидации свалок является применение в составе дорожных битумных вяжущих бытовых полимерных отходов (ПО), представляющих собой, как правило, смесь полиолефинов и сложных полиэфиров.
Совместное применение резиновой крошки и полиолефинов известно [10, 11], однако в этих составах либо используются первичные полиолефины, либо применяются пластификаторы и добавки, снижающие теплостойкость битумных вяжущих.
Целью данной работы было исследование возможности получения теплостойкого полимерно-битумного вяжущего, комплексно
модифицированного различными видами отходов.
Основным объектом исследования служил вязкий нефтяной дорожный битум марки БНД 60/90, свойства которого соответствуют ГОСТ 22245-90. Модификацию вяжущего проводили с использованием ОРТИ, представляющих собой резиновый порошок (ТУ 38.305-088-2008) с дисперсностью 500 мкм, и смесевых ПО с температурой плавления 110-120 °С. Регулирование свойств осуществляли путем введения в состав вяжущего бифункциональной олигомерной добавки (жидкость светло-желтого цвета с вязкостью 75 мПас), содержащей органофильную и гидрофильную группы (ОД). Выбор данного модификатора обусловлен необходимостью облегчить совмещение битума с минеральным материалом и повысить адгезионное взаимодействие между ними.
Ранее [12] было оптимизировано содержание ОРТИ в составе битумного вяжущего. Оно составило 10 м.ч. На данном этапе исследований были получены образцы вяжущих, содержащих 10 м.ч. ОРТИ и различное количество модифицирующих добавок. Было установлено, что при введении ПО в битум наблюдается фазовое разделение смеси - образуется полимерная пленка на поверхности битума. В связи с этим процесс
приготовления вяжущего осуществляли путем смешения битума с ОРТИ в течение 30-40 минут с последующим добавлением ПО при перемешивании. Смешение компонентов осуществляли при 140-160 °С, поскольку при данных температурах процессы деструкции битума сведены к минимуму, а ПО находятся в вязкотекучем состоянии. При использовании подобного режима смешения компонентов пленка на поверхности вяжущего отсутствовала, что, вероятно, можно объяснить лучшей совместимостью ПО с низкомолекулярными продуктами деструкции ОРТИ, образующимися в процессе смешения ОРТИ с нагретым битумом.
Были определены свойства исследуемых вяжущих. Критериями оценки служили: температура размягчения (Тр), определяемая по методу кольца и шара (ГОСТ 11506-73), глубина проникания иглы, определяемая пенетрометром по ГОСТ11501-78 при температурах 25 и 0 °С (П25 и П0 соответственно), температура хрупкости (Тхр) и температурный интервал пластичности (ДТ).
Теплостойкость вяжущих оценивали по Тр, а морозостойкость - по Тхр, которую определяли расчетным методом по формуле [13]:
ТХр = 119,2 - 45,71ВП25 - Тр
Свойства вяжущих представлены в таблице 1.
Таблица 1. Свойства разработанных вяжущих
Вяжущее Т, °С П25, 0,1 мм Пс, 0,1 мм Т, А хр, °С ДТ, °С
90 м.ч. БНД 60/90 + 10 м.ч. ОРТИ 72 45 26 -28 100
89 м.ч. БНД 60/90 + 10 м.ч. ОРТИ + 1 м.ч. ПО 80 42 25 -34 114
88 м.ч. БНД 60/90 + 10 м.ч. ОРТИ + 1 м.ч. ПО + 1 м.ч. ОД 86 40 23 -40 126
Как видно из таблицы, введение в резинобитумное вяжущее добавок (ПО и ОД) положительно сказывается на тепло- и морозостойкости модифицированных вяжущих. Очевидно, повышение теплостойкости вяжущего при введении ПО объясняется их более высокой теплостойкостью. Дальнейшее увеличение этого показателя при добавлении ОД, по-видимому, связано с возможностью образования этим бифункциональным соединением физических и химических связей с компонентами
резинобитумного вяжущего.
На основании полученных данных был рассчитан температурный интервал пластичности резинобитумных вяжущих, как:
ДТ = Тр - Тхр
В результате было установлено, что резинобитумное вяжущее, содержащее ПО и ОД, обладает большим температурным интервалом пластичности, т.е. может эксплуатироваться в более широком температурном диапазоне по сравнению с немодифицированным резинобитумным вяжущим.
Были проведены динамометрические испытания, получены зависимости напряжения от деформации для исследуемых составов и на основании полученных данных рассчитаны деформационно-прочностные свойства вяжущих (таблица 2): прочности при растяжении (араст) и разрыве (стразр), относительное удлинение при максимальной нагрузке (етах) и разрыве (еразр). Остаточные напряжения (ствн) определяли консольным методом.
Таблица 2. Деформационно-прочностные свойства вяжущих
Вяжущее ^"раст? кПа ^разр? кПа ^max? % £разр? % ^"вн? МПа
90 м.ч. БНД 60/90 + 10 м.ч. ОРТИ 126 0* 21 57 1,3
89 м.ч. БНД 60/90 + 10 м.ч. ОРТИ + 1 м.ч. ПО 234 26 20 55 0,9
88 м.ч. БНД 60/90 + 10 м.ч. ОРТИ + 1 м.ч. ПО + 1 м.ч. ОД 395 30 22 54 1,1
* образец сохранил целостность
Результаты, представленные в таблице, позволяют сделать вывод о повышении прочностных характеристик модифицированных вяжущих при незначительном изменении деформационных характеристик. Следует отметить, то введение модифицирующих добавить позволяет снизить остаточные напряжения, возникающие в резинобитумном вяжущем.
Определяющее значение для эффективной и долговременной эксплуатации асфальтобетона является высокая адгезия между битумным вяжущим и минеральным материалом, определяемая прочностью сцепления (ГОСТ 11508-74). Было установлено, что наибольшим сцеплением с каменным материалом обладает состав, содержащий, помимо резиновой крошки и отходов полиолефинов, реакционноспособную олигомерную добавку.
Таким образом, в результате проведенных исследований была показана возможность комплексной модификации нефтяного дорожного битума различными видами отходов: измельченной резиновой крошкой, полученной из отработанных автомобильных шин, и бытовыми отходами полиолефинов. Был предложен способ совмещения компонентов, позволяющий предотвратить выделение ПО в виде пленки и расслоение вяжущего.
Список литературы
1. Мировой рынок модификаторов битумов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http ://newchemistry.ru/letter.php?n_id=5 694&cat_id=& page_id=3 (дата обращения 02.03.2018)
2. Корнейчук Н.С., А.И Лескин А.И., Н.А. Рахимова Н.А. Полимерно-битумное вяжущее на основе вторичного полипропилена для производства асфальтобетонных смесей // Инженерный вестник Дона: электронный научный журнал, 2017 № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4240 (дата обращения: 02.03.2018)
3. Яковлев В.В., Асадуллина З.У. Асфальтобетоны на битумном вяжущем, полученном из отходов ремонта кровель // Башкирский химический журнал. - 2011. - Т. 18. № 1. - С. 49-52.
4. Сербии С.А., Кутукова Е.К., Костромина Н.В., Ивашкина В.Н., Осипчик В.С., Аристов В.М. Модифицированное резино-битумное связующее для дорожных покрытий // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. 31. № 11 (192). С. 108-110.
5. Гордеева И. В., Наумова Ю. А., Никольский В. Г., Красоткина И. А., Зверева У. Г. Влияние процесса старения на свойства дорожных битумных вяжущих, содержащих термоэластопласты и резиновую крошку, получаемую методом высокотемпературного сдвигового измельчения // Вестник МИТХТ. 2014. Т. 9. № 3. С. 64-70.
6. Иванов С. А. Перспективы получения резино-битумных вяжущих для повышения долговечности автомобильных дорог // Молодой ученый. 2013. №3. С. 60-62.
7. Беляев П. С., Забавников М. В., Маликов О. Г. К вопросу получения резино-битумного концентрата для асфальтобетонных дорожных покрытий из изношенных автомобильных шин // Вестник ТГТУ. 2008. Т. 14. № 2. С. 346-352.
8. ОДМД. Рекомендации по применению битумнорезиновых композиционных вяжущих материалов для строительства и ремонта покрытий автомобильных дорог, утверждены распоряжением Минтранса России от 12.05.2003 г. № ОС-421-р.
9. Шабаев С.Н., Иванов С.А. Развитие технологии получения и эффективного использования в Кузбассе композиционных полимерно-битумных вяжущих на основе резиновой крошки. // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. -2014. - №3(8). - С. 63-72.
10. Патент РФ № 2266934, 05.08.2004.
11. Патент РФ № 2158742, 10.11.2000.
12. Маркова М.А., Машкова А.А., Олихова Ю.В., Осипчик В.С. Влияние модификаторов на свойства дорожных битумных вяжущих // Успехи в химии и химической технологии. - 2017. - Т.31, № 11. - С. 70-72.
13. Заровчатский А.Е. Сравнительный анализ свойств битумного, полимерно-битумного и резинобитумного вяжущего // Техника и технологии строительства, 2017. № 4. URL: http://ttc.sibadi.org (дата обращения: 21.03.2018)
