CC BY
50
Строительные материалы и изделия
УДК 665.775.4; 625.06
Г.К. Корнейчук, Ю.А. Буценко
КОРНЕЙЧУК ГОРДЕЙ КИРИЛЛОВИЧ - кандидат химических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Суханова ул., 8, Владивосток, 690950. E-mail: 1gkk@rambler.ru БУЦЕНКО ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - генеральный директор НПО «Эмульбит» (Владивосток). Ломоносова ул., 38 Б, пгт. Липовцы, Октябрьский р-н, Приморский край, 692567. E-mail: emulbit@mail.ru
Новое высококачественное вяжущее для асфальтобетонных дорожных покрытий с эффективным использованием резины шинных отходов
Рассмотрены недостатки основных существующих вяжущих для дорожных асфальтобетонных покрытий, главная причина которых, по мнению авторов статьи, состоит в том, что способы их получения не позволяют добиться деструкции и девулканизации шин.
Показано, что предлагаемая авторами специальная активация резинобитумных смесей ультразвуком позволяет получать новые вяжущие с высокими физико-механическими характеристиками. Таким способом можно получать вяжущие для эксплуатации асфальтобетонов в любых климатических условиях России. Авторами проведены исследования на лабораторных и пилотных установках с различными по мощности специальными ультразвуковыми аппаратами. Спроектировано два варианта опытно-промышленных установок (ОПУ) для производства всего спектра нового вяжущего. В настоящее время НПО «Эмульбит» решает вопрос о строительстве ОПУ, выпуске опытных партий нового вяжущего, партий асфальтобетонов на его основе с одновременной их укладкой на опытных участках дорог.
Ключевые слова: вяжущее, шинные отходы, ультразвуковая кавитация, деструкция, девул-канизация, диспергирование, резинобитумная композиция.
Условия применения, достоинства и недостатки известных вяжущих
Целью настоящего исследования является анализ существующих и представление новых вяжущих для асфальтобетонов (на основе эффективного и экологически безопасного использования резины шинных отходов) с высокими температурами размягчения и хрупкости, а также с хорошей адгезией к наполнителям с кислой природой поверхности, которые удовлетворяют условиям эксплуатации в любых климатических зонах России и мира.
В настоящее время для дорожных асфальтобетонов применяются следующие вяжущие:
- битумные, например дорожные битумы по ГОСТ 22245-90 [1];
- полимерно-битумные (ПБВ), например на основе синтетических блок-сополимеров стирол-бутадиен-стирол по ГОСТ Р 52056-2003 [2];
-резинобитумные, например Битрек [5], Унирем [11], Колтек [12].
© Корнейчук Г.К., Буценко Ю.А., 2015
Коротко разберем условия их применения, достоинства и недостатки.
Анализ показателей дорожных битумов по [1] свидетельствует, что невозможно подобрать марку битума с одновременно высокими температурами размягчения и хрупкости. Например, рекомендованный еще в СССР битум для Приморского края БНД 90/130 в лучшем случае имеет температуру размягчения 50 °С и температуру хрупкости -20 °С, что совершенно не подходит к климатическим условиям Приморского края, характеризуемым наибольшей положительной температурой 35 °С и наименьшей отрицательной температурой -35 °С: температура поверхности асфальтобетона при температуре воздуха 35 °С из-за сильной солнечной радиации будет не менее 60 °С. Поэтому температура размягчения вяжущего для асфальтобетона должна быть не ниже 60 °С. В то же время температура хрупкости вяжущего должна быть не выше -35 °С. Интенсивность разрушения асфальтобетона зависит от отличия данных показателей от указанных критериев и интенсивности движения автотранспорта. У дорожных битумов есть еще один существенный недостаток - неудовлетворительная адгезия к щебням (наполнителям асфальтобетона) с кислой природой поверхности: именно таковы щебни приморских месторождений. Поэтому вода в любом виде легко попадает в пространство между битумом и щебнем, что способствует более быстрому разрушению асфальтобетона. Для улучшения адгезии рекомендуются различные добавки типа ПАВ. В каждом конкретном случае должен делаться предварительный лабораторный подбор вида и количества такой добавки. Эта добавка должна быть равномерно распределена в асфальтобетоне, что исключительно трудно осуществить из-за ее малого количества. Кроме того, эти ПАВ дефицитны и дороги.
В настоящее время признано, что наиболее качественными вяжущими являются полимерно-битумные (ПБВ). В отличие от дорожных битумов при увеличении содержания в ПБВ синтетического каучука (например, ДСТ) одновременно улучшаются и температура размягчения, и температура хрупкости. Однако и они имеют тот же недостаток, что и дорожные битумы - неудовлетворительную адгезию к щебням с кислой природой поверхности. Попытки улучшить ее введением ПАВ затруднены по тем же причинам, что и в случае с дорожными битумами. Однако модифицирование каменноугольными смолами не только несколько повышает физико-механические характеристики, но и значительно улучшает адгезию к щебням любой природы. Последнее особенно важно в случае щебней с кислой природой поверхности. Такие вяжущие имеют повышенную стойкость в условиях высокой влажности воздуха и могут использоваться на постоянно затапливаемых участках дорог. Однако большим недостатком таких вяжущих является их повышенная токсичность, связанная с входящими в состав каменноугольных смол сильно летучими фенолами. Это проявляется при повышенных температурах, которые имеют место в процессах производства асфальтобетона, его транспортировки и укладки на дорожное полотно. В этих рабочих зонах создается концентрация фенолов выше их ПДК в воздухе, что предполагает ограничение количества людей, а также применения работающими специальных предохранительных средств. Поэтому их ограниченное применение возможно только вдали от населенных пунктов. В работе [3] предложено ПБВ, модифицированное смолой пиролиза липтобиолито-вого угля Приморского края и с дополнительной добавкой уротропина. В результате уротропин связал в полимерные молекулы наибольшее число летучих фенолов, таким образом понизив концентрацию фенолов в рабочей зоне.
В последние 30 лет во всем мире большое внимание уделялось разработке резинобитумных вяжущих с использованием резиновой крошки шинных отходов. Это объясняется повсеместным скоплением огромного количества отработанных шин, что становится экологическим бедствием. Причем количество этих отходов постоянно увеличивается из-за малой их утилизации.
Первые попытки использовать резиновую крошку шинных отходов связаны с её (как наполнителя) добавками в минеральную часть асфальтобетона. Этот способ, названный «сухой», был привлекателен из-за простоты, тем не менее он не получил дальнейшего развития: как показала широкая мировая практика, его применение существенно не улучшало характеристики асфальтобетона, кроме того, выбивание резиновой крошки с поверхности ухудшает экологическую обстановку (образуется резиновая пыль в воздухе над дорогой).
Значительно лучшие результаты дало использование резиновой крошки шинных отходов по «мокрому» способу. В этом случае стараются получить жидкие резинобитумные композиции, которые используются в качестве вяжущих при производстве асфальтобетонов.
Таких разработок много. Самые известные - резинобитумные вяжущие по [5, 11, 12]. По сравнению с дорожными битумами у них более высокая температура размягчения и более низкая температура хрупкости при эластичности порядка 30% при более низкой пенетрации. Основные недостатки таких резинобитумных вяжущих: в них дополнительно вводились различные вещества, в том числе и полимеры. Это свидетельствует об отсутствии условий для девулканизации резины с образованием полимерных молекул каучука. Поэтому физико-механические показатели их хуже, чем у ПБВ, и не соответствуют требованиям условий эксплуатации в Дальневосточном регионе.
Для повышения физико-механических характеристик резинобитумных вяжущих, особенно адгезии к наполнителям асфальтобетона с кислой природой поверхности, так же как и для ПБВ, предлагалось модифицировать их фенолосодержащими каменноугольными смолами [6-8]. Физико-механические характеристики таких вяжущих очень высоки, но есть и существенный недостаток: они исключительно вредны для здоровья персонала, так как содержат токсичные вещества, особенно токсичны бензопирены. Значительное повышение характеристик таких вяжущих свидетельствует о том, что под действием высоких температур и фенолов происходит деструкция и де-вулканизация шинной резины с появлением молекул каучука.
Создание высококачественного вяжущего с помощью ультразвука
Одна из проблем использования шинной резины - безопасность применения продуктов этого процесса в любых районах, в том числе городских. На это и были направлены все усилия при разработке нового универсального вяжущего. Выяснилось, что для эффективной деструкции и девулканизации шинной резины необходимо использовать физический метод. В результате анализа литературных источников, например [13], мы выбрали ультразвук.
Нами в результате длительного процесса лабораторных исследований с ультразвуковым аппаратом мощностью 150 Вт был разработан способ получения высококачественного вяжущего путем специальной ультразвуковой обработки смесей резиновой крошки шинных отходов с битумом [9]. Этот способ позволил получить новое вяжущее - АРБК (активированная резинобитумная композиция) с очень высокими физико-механическими характеристиками, без добавления дополнительных веществ [9, 10]. Достаточно сказать, что таким способом можно получать вяжущие с одновременными температурами размягчения и хрупкости, соответственно, +70 °С и -45 °С.
При этом главным достижением является то, что таким способом можно получать вяжущие - АРБК с характеристиками, которые требуются для использования не только в любом районе Дальневосточного региона и России в целом, но и в любой стране мира. Такие вяжущие особенно необходим для районов с большими положительными и низкими отрицательными температурами.
В этом случае значения физико-механических характеристик регулируются количеством содержания резиновой крошки в исходной резинобитумной смеси от 13 до 50%. Основным физическим механизмом, позволяющим получать новые вяжущие, является ультразвуковая кавитация. Наши специальные исследования показали, что она вызывает деструкцию резины с дальнейшим диспергированием и наполнителей, и каучуковых цепей (образовавшихся в результате девулкани-зации резины) [13]. При этом в зависимости от времени и мощности ультразвуковой обработки образуются частицы каучука размерами от 50 до 1,5 мкм, а также частицы наполнителей от 20 мкм до 10 нм. Такая высокая дисперсность частиц обеспечивает высокую изотропность и стабильность свойств нового вяжущего.
В таблице сопоставлены основные характеристики известных вяжущих с характеристиками новых - АРБК, причем АРБК-30 - это активированная ультразвуком резинобитумная композиция с содержанием 30% резиновой крошки шинных отходов; АРБК-50, соответственно, - с содержанием 50% резиновой крошки шинных отходов.
Таблица показывает, что новые вяжущие - АРБК-30 и АРБК-50 обладают много лучшими характеристиками, чем известные.
Сопоставление основных характеристик известных вяжущих с АРБК
№ п/п Вяжущее Пенетрация при 25 °С Пенетрация при 0 °С Температура размягчения, °С Температура хрупкости, °С Адгезия к кислым щебням при 25 °С, балл Адгезия к основным щебням при 25 °С, балл Эластичность, %
1 Исходный битум БНД 90/130 [11 105 30 51 - 20 2 3 2
2 ПБВ 90 [2] 95 43 52 - 26 2 4 85
3 Битрек [5] 58 35 50 - 28 3 4 33
4 5 АРБК-30 [9] 92 54 56 - 42 5 5 77
АРБК-50 [10] 101 63 102 - 47 5 5 78
Выводы и перспективы применения
На основе ранее полученных результатов лабораторных исследований с применением ультразвукового аппарата с мощностью 150 Вт нами была спроектирована и построена пилотная установка в НПО «Эмульбит» со специальным ультразвуковым аппаратом мощностью 1 кВт. Специальные ультразвуковые аппараты были изготовлены ЗАО «Ультразвуковые технологии» (г. Бийск). Были проведены обширные технологические исследования на этой пилотной установке и по их результатам спроектирован первый вариант опытно-промышленной установки (ОПУ) с ультразвуковым аппаратом мощностью 8 кВт для производства нового вяжущего. После этого была сконструирована новая пилотная установка принципиально другой конструкции. На ней также были проведены технологические исследования, после этого спроектирован второй вариант ОПУ. Измерение физико-механических характеристик, полученных на пилотных установках АРБК, состав которых включает от 15 до 50% резиновой крошки шинных отходов, подтвердило результаты, полученные при лабораторных исследованиях. В настоящее время идет выбор конструкции ОПУ, и НПО «Эмульбит» решает вопрос об ее строительстве в Приморском крае.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 22245-90. Битумы нефтяные дорожные вязкие. Технические условия. URL: http://standartgostm/g/roCT_22245-90 (дата обращения: 05.08.2015).
2. ГОСТ Р 52056-200 3. Вяжущие полимерно-битумные на основе блок-сополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия. URL: http://standartgost.ru/g/ГОСТ_52056-2003 (дата обращения: 05.08.2015).
3. Корнейчук Г.К. Разработка нового полимерно-битумного вяжущего и способов его получения с использованием жидких продуктов полукоксования литобиолитового угля // Сб. трудов 4-го меж-дунар. симпозиума «Химия и химическое образование». Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2007. С. 225.
4. Корнейчук Г.К., Рунов А.К. Исследование девулканизации шинной резины в ультразвуковом поле // Доклады 13-й Междунар. конф.-семинара по микро/нанотехнологиям и электронным приборам. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2012. С. 92-98.
5. Пат. 2178434 Российская Федерация. Битумная композиция для дорожных, кровельных и изоляционных работ и асфальтовая смесь на ее основе / А.П. Марченко, Н.В. Смирнов; № 2001100290/04 от 05.01.2001; опубл. 20.01.2002.
6. Пат. № 2323231 Российская Федерация. Мастика резинобитумная / Г.К. Корнейчук, С.П. Дзюба-нов, В.А. Реутов, Г.К. Стибло; ООО «НПО ГИПОЛ»; № 2006145263 от 19.12.2006.
7. Пат. № 2318848 Российская Федерация. Модифицирующая добавка к битумам / Г.К. Корнейчук, С.П. Дзюбанов, В.А. Реутов, Г.К. Стибло; ООО «НПО ГИПОЛ»; № 2006139222 от 08.11.2006.
8. Пат. 2327719 Российская Федерация. Битумно-резиновая композиция и способ ее получения / В.В. Алексеенко и др.; № 20071135/04 от 11.04.2007; опубл. 27.06.2008.
9. Пат. № 2489464 Российская Федерация Способ приготовления резинобитумной композиции / Г.К. Корнейчук; № 2012127266 от 29.06.2012.
10. Пат. № 2550888 Российская Федерация. Способ приготовления резинобитумной композиции / Г.К. Корнейчук, № 2012154148 от 13.12.2013.
11. СТО 61595504-002-20010. Материал композиционный на основе активного резинового порошка «УНИРЕМ-001». Технические условия. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200109766 (дата обращения: 06.08.2015).
12. СТО 17423242-006-2007. Комплексный модификатор КМА «Колтек». Технические условия. URL: http://pretor-road.ru/images/sertifikat/Koltek/KMA%20Koltek/tex/ty%20(3).pdf (дата обращения: 06.08.2015).
13. Хмелев В.Н., Леонов Г.В., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве / Алтайский гос. тенх. ун-т, БТИ. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. - 400 с.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Building Materials and Products
Korneichuk G., Butsenko U.
GORDEY K. KORNEICHUK, Ph.D., Assistant Professor, Department of Materials Science and Technology of Materials, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok. 8 Sukha-nova St., Vladivostok, Russia, 690950, e-mail: 1gkk@rambler.ru
YURI A. BUTSENKO, General Director NPO Emulbit. 38B Lomonosova St., Lipovtsy, Octiabrsky R-n, Primorsky Krai, Russia, 692567, e-mail: emulbit@mail.ru
New high quality binder for asphalt road surfaces effectively using rubber from waste tires
The article deals with the defects in existing binders for road asphalt pavement. In the authors' opinion, the defects are caused by the fact that the existing binders based on bitumen make impossible the destruction and devulcanisation of tires. It is demonstrated that a special activation of rubber bitumen mixtures by ultrasound enables one to produce new binders having high physico-mechanical properties. This is a way to obtain binders adapted to any climatic conditions of Russia. The authors carried out their investigations on laboratory equipment and pilot plants having special ultrasonic devices of different capacities. Two variants of experimental industrial plants (SDAS) have been designed to produce the new binder. At present, at the enterprise Emulbit, they are considering the construction of the SDAS to produce the pilot batches of the new binder with simultaneous laying them experimentally on certain road sections.
Key words: binder, waste tire, ultrasonic cavitation, destruction, devulcanisation, dispersion, activated rubber composition.
REFERENCES
1. GOST 22245-90. The bitumen road viscous. Technical conditions. (in Russ.). [GOST 22245-90. Bitumy neftjanye dorozhnye vjazkie. Tehnicheskie uslovija. URL: http://standartgost.ru/g/GOST_22245-90 (data obrashhenija: 05.08.2015)].
2. GOST R 52056- 200 3. Binders polymer modified asphalt-based block copolymers of the type styrene-butadiene-styrene. Technical conditions. (in Russ.). [GOST R 52056-200 3. Vjazhushhie polimerno-bitumnye na osnove blok-sopolimerov tipa stirol-butadien-stirol. Tehnicheskie uslovija. URL: http://standartgost.ru/g/GOST_52056-2003 (data obrashhenija: 05.08.2015)].
3. Korneichuk G.K. Development of new polymer - bitumen binder and methods for its preparation using liquid products of carbonization liabilitiesa coal. Sat. Proceedings of the 4th International Symposium "Chemistry and chemical education". Vladivostok, 2007, p. 225. (in Russ.). [Kornejchuk G.K. Razrabotka novogo polimerno-bitumnogo vjazhushhego i sposobov ego poluchenija s ispol'zovaniem zhidkih produk-tov polukoksovanija litobiolitovogo uglja // Sb. trudov 4-go Mezhdunar. simpoziuma «Himija i himich-eskoe obrazovanie». Vladivostok: Izd-vo DVGU, 2007. S. 225].
4. Korneichuk G.K., Runov A.K. The study of devulcanization of tire rubber in an ultrasonic field. Proceedings 13th International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices. Novosibirsk, Novosibirsk State University, 2012, p. 92-98. (in Russ.). [Kornejchuk G.K., Runov A.K. Issle-dovanie devulkanizacii shinnoj reziny v ul'trazvukovom pole // Doklady 13 Mezhdunar. konf.-seminara po mikro/nanotehnologijam i jelektronnym priboram. Novosibirsk: Izd-vo NGU, 2012. S. 92-98].
5. Patent 2178434 Russian Federation, Bituminous composition for road, roofing and insulation works and asphalt mixture based on it. Marchenko A.P., Smirnov N. V. Application 2001100290/04 from 05.01.2001, published 20.01.2002. (in Russ.). [Pat. 2178434 Rossijskaja Federacija. Bitumnaja kompozicija dlja dorozhnyh, krovel'nyh i izoljacionnyh rabot i asfal'tovaja smes' na ee osnove / A.P. Marchenko, N.V. Smirnov; № 2001100290/04 ot 05.01.2001; opubl. 20.01.2002].
6. Patent N 2323231 Russian Federation, Bitumen based Mastic. NPO HIPOL, authors: Korneichuk G.K., Zubanov S.P., Reutov V.A., Stiblo G.K. Application N 2006145263 from 19.12.2006, registered in state register of inventions of the Russian Federation 27.04.2008. (in Russ.). [Pat. № 2323231 Rossijskaja Fed-eracija. Mastika rezinobitumnaja / OOO «NPO GIPOL»; G.K. Komejchuk, S.P. Dzjubanov, V.A. Reutov, G.K. Stiblo; № 2006145263 ot 19.12.2006].
7. Patent N 2318848 Russian Federation. Modifier additive to the bitumen. NPO HIPOL, authors: Korneichuk G.K., Zubanov S.P., Reutov V.A., Styblo G.K. Application N 2006139222 from 08.11.2006, registered in state register of inventions of the Russian Federation 10.03.2008. (in Russ.). [Pat. № 2318848 Rossijskaja Federacija. Modificirujushhaja dobavka k bitumam / «NPO GIPOL»; G.K. Komejchuk, S.P. Dzjubanov, V.A. Reutov, G.K. Stiblo; № 2006139222 ot 08.11.2006].
8. Patent 2327719 Russian Federation, Bitumen rubber composition and method for its obtaining. Ale-kseenko V.V. et al. Application 20071135/04 dated 11.04.2007, published 27.06.2008. (in Russ.). [Pat. 2327719 Rossijskaja Federacija. Bitumno-rezinovaja kompozicija i sposob ee poluchenija / V.V. Ale-kseenko i dr.; № 20071135/04 ot 11.04.2007; opubl. 27.06.2008].
9. Patent N 2489464 Russian Federation, Method of preparation of rubber compositions. Korneichuk G.K. Application 2012127266 of 29.06.2012, registered in state register of inventions of the Russian Federation 10.07.2013. (in Russ.). [Pat. № 2489464 Rossijskaja Federacija. Sposob prigotovlenija rezinobitumnoj kompozicii / G.K. Kornejchuk; № 2012127266 ot 29.06.2012].
10. Patent N 2550888 Russian Federation. Method of preparation of rubber compositions. Korneichuk G.K. Application 2012154148 from 13.12.2013, registered in state register of inventions of the Russian Federation on 15.04.2015. (in Russ.). [Pat. № 2550888 Rossijskaja Federacija. Sposob prigotovlenija rezinobitumnoj kompozicii / G.K. Kornejchuk, № 2012154148 ot 13.12.2013].
11. STO 61595504-002-20010 Russian Federation. The composite Material UNIREM-001 on the basis of active rubber powder. Technical conditions. (in Russ.). [STO 61595504-002-20010 Material kompozi-cionnyj na osnove aktivnogo rezinovogo poroshka «UNIREM-001». Tehnicheskie uslovija. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200109766 (data obrashhenija: 06.08.2015)].
12. STO 17423242 Russian Federation 006-2007 Complex modifier KMA "Coltec". Technical conditions. (in Russ.). [STO 17423242-006-2007 Kompleksnyj modifikator KMA «Koltek». Tehnicheskie uslovija. URL: http://pretor-road.ru/images/sertifikat/Koltek/KMA%20Koltek/tex/ty%20(3).pdf.
13. Khmelev V.N. Leonov G.V., Barsukov R.V., Tsyganok S.N., Shalunov A.V. Ultrasonic multifunctional and specialized equipment for intensification of technological processes in industry, agriculture and domestic. Altai state technical. University, BTI. Biysk, Univ. Press, 2007. 400 p. (in Russ.). [Hmelev V.N., Leonov G.V., Barsukov R.V., Cyganok S.N., Shalunov A.V. Ul'trazvukovye mnogofunkcional'nye i special-izirovannye apparaty dlja intensifikacii tehnologicheskih processov v promyshlennosti, sel'skom i domash-nem hozjajstve. Biysk: Izd-vo Alt. gos. tehn. un-t, 2007. 400 s.].
