CC BY
0С.Н. Шабаев, канд. техн. наук, доц., e-mail: shsn.ad@kuzstu.ru С.А. Иванов, ст. преподаватель, соискатель, e-mail: isa.ad@kuzstu.ru ФГБОУ ВО Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово
удк 691.162
ОБОСНОВАНИЕ СТЕПЕНИ ДЕСТРУКЦИИ РЕЗИНОВОЙ КРОШКИ В РЕЗИНОБИТУМНОМ ВЯЖУЩЕМ
Несмотря на наличие большого количества исследований, посвященных вопросам модификации битумов резиновой крошкой, на сегодня отсутствуют данные о степени ее деструкции. В статье описано влияние технологического режима получения резинобитумного вяжущего на степень уменьшения средневзвешенного размера частиц резиновой крошки и изменение структуры модифицированного битума. Установлено, что при одностадийном технологическом процессе получения резинобитумного вяжущего средневзвешенный размер резиновой крошки уменьшается всего на 3-4 %, в то время как при двухстадийном технологическом процессе изменение данного показателя составляет 15-20 %. Это приводит к тому, что при одностадийном технологическом процессе количество экстрагированных из резиновой крошки разорванных, но частично сшитых молекул каучука недостаточно для образования в вяжущем дисперсного каркаса, армирующего вяжущее и придающего ему улучшенные свойства, а при двухстадийном технологическом процессе данный каркас образовывается.
Ключевые слова: резиновая крошка, деструкция, вяжущее, битум, экстрагирование, структура.
S.N. Shabaev, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
S.A. Ivanov, Senior lecturer
JUSTIFICATION FOR THE DEGREE OF RUBBER CRUMB DESTRUCTION
IN RUBBER-BITUMEN BINDER
The article describes the preparation of a rubber-bitumen binder for assessing the degree of partial destruction of rubber crumb in the binder before and after thermomechanical treatment under various technologies. In order to estimate the degree of the rubber crumb destruction, the results of obtaining a rubber-bitumen binder in two stages are presented. The article presents the results of studies on the separation of rubber crumb after thermomechanical treatment from a binder, as well as the calculation of the private residual particles of rubber crumb before and after thermomechanical treatment. The results of studies on a group chemical analysis of the raw bitumen, rubber-bitumen binder obtained by one-stage and two-stage technologies, as well as the plasticizer oil of the rubber-bitumen composite, which made a conclusion regarding the aging of the binder, and as a result, an increase in its durability, are given. Studies on this issue from previous years are presented.
Key words. Rubber crumb, destruction, binder, chemical analysis, evaluation, modification.
Введение
Исследование возможности использования резиновой крошки при производстве асфальтобетонных смесей и укладке из них слоев покрытия предпринимались еще с 1960 -1970-х гг. Однако большое количество построенных опытных участков как в России, так и за рубежом не давали положительных результатов, причем как при «сухом», так и при «мокром» методе получения. В действительности только одна из разновидностей «мокрого» метода получила достаточно широкое распространение сначала в США, а затем и в других странах. Это так называемый прорезиненный битум «Asphalt Rubber» (AR), который был изобретен в конце 1960-х гг. Ч. Макдональдом. После окончания действия патента в 1992 г. произошел резкий скачок потребления AR вяжущего, который в последние годы был усовершенствован [1].
Мнения авторов [2-17], объясняющих механизм процессов, протекающих при объединении битумов с полимерами, не всегда совпадают. В большинстве случаев процесс термомеханической пластификации изношенной резины авторы описывают следующим образом: при совместной термомеханической обработке измельченная резина набухает в масляных фракциях битума (гудрона или дегтя), что ослабляет межмолекулярные связи в резине. В результате продолжающихся подвода тепла и механических воздействий происходит разрыв по этим ослабленным связям, т.е. осуществляется девулканизация резины с образованием каучукового вещества, которое структурирует битум (гудрон или деготь). Но наиболее достоверные сведения приведены в работе [15], в которой отмечается, что при добавлении резины к битуму ас-фальтены остаются без изменений, в то время как в мальтенах часть резины растворяется, увеличивая вязкость среды, а часть остается в виде гранул, более или менее набухших вследствие адсорбции частицами резины мальтенов.
Оценка степени деструкции резиновой крошки в вяжущем
Для получения резинобитумного вяжущего использовались следующие компоненты:
- битум марки БНД 60/90 (производитель: АО «Газпромнефть-ОНПЗ», г. Омск);
- минеральное масло ПН-6Ш (производитель: ООО «Газпромнефть-смазочные материалы», г. Москва);
- резиновой крошки с размером частиц 0-1 мм (производитель: ООО «ЭКО-Шина», г. Новокузнецк Кемеровской обл.).
Для оценки влияния технологического процесса модификации битумов резиновой крошкой на ее степень деструкции было принято решение получить резинобитумное вяжущее при двух различных способах:
1. В одну стадию путем смешения (по массе) 73,4 % битума, 6,6 % минерального масла и 20 % резиновой крошки при постоянном перемешивании при температуре 230±5°С в течение 3 ч.
2. В две стадии путем смешения (по массе) на первой стадии 50 % битума, 12,5 % минерального масла и 37,5 % резиновой крошки при постоянном перемешивании при температуре 230±5°С в течение 1,5 ч (первый инвариант второго способа) или 3 ч (второй инвариант второго способа) с получением концентрированной суспензии резинобитумного композита с последующим смешением на второй стадии 52,5 % концентрированной суспензии резинобитумного композита с 47,5 % битума.
Степень деструкции резиновой крошки определяли путем оценки изменения ее гранулометрического состава, характеризующегося средневзвешенным размером частиц. Для этого резиновую крошку заданного гранулометрического состава после получения резинобитум-ного вяжущего экстрагировали из конечного продукта путем растворения мальтеновой части керосином и уайт-спиритом, высушивали при температуре 60°С до постоянной массы, остаток просеивали через сито с размером ячеек 0,05 мм и повторно определяли ее гранулометрический состав.
Средневзвешенный размер частиц определялся по формуле:
_ п
о = Хо-щ,
I=1
где О - средневзвешенный размер частиц 1-й фракции, мм, определяемый полусуммой размера ячеек данного и предыдущего сит; щ - частный остаток на !-м сите, доли ед.; п - число фракций.
Степень уменьшения средневзвешенного размера части определялась по зависимости:
д = .100%, _ О0
где О - средневзвешенный размер частиц резиновой крошки после термомеханической обработки, мм; О - средневзвешенный размер частиц исходной резиновой крошки, мм.
Гранулометрические составы резиновой крошки до и после термомеханической обработки, ее средневзвешенный размер частиц, а также степень уменьшения размера частиц приведены в таблице. Кривая гранулометрического состава приведена на рисунке 1.
Таблица
Гранулометрические составы резиновой крошки до и после термомеханической обработки, ее средневзвешенный размер частиц (О) и степень уменьшения размера частиц (А)
Вид РК Частный остаток, %, на сите с размером ячеек, мм О (О0), мм А, %
1,25 0,63 0,315 0,05
Исходная РК 0 72,2 23,3 4,4 0,478 -
РК 1 стадия/3 ч 0 69,5 21,1 6,4 0,461 3,6
РК 2 стадии/1,5 ч 0 61,9 26,2 11,9 0,402 15,9
РК 2 стадии/3 ч 0 57,8 28,9 13,3 0,384 19,7
Примечания:
1. Исходная РК - исходная резиновая крошка.
2. РК 1 стадия/3 ч - резиновая крошка после получения резинобитумного вяжущего в одну стадию в течение 3 ч.
3. РК 2 стадии/1,5 ч - резиновая крошка после получения резинобитумного вяжущего в две стадии в течение 1,5 ч.
4. РК 2 стадии/3 ч - резиновая крошка после получения резинобитумного вяжущего в две стадии в течение 3 ч.
Анализ полученных результатов показал, что при одностадийном технологическом процессе получения резинобитумного вяжущего степень уменьшения размера резиновой крошки очень незначительна и составляет порядка 3-4 %. Сделав допущение о том, что все частицы резиновой крошки имеют форму шара, уменьшение средневзвешенного размера частиц с 0,478 до 0,461 мм ведет деструкции лишь 10 % их объема (массы). Так как при эксперименте содержание резиновой крошки в вяжущем по массе принято 20 %, то понятно, что из резиновой крошки деструктурировано только порядка 2 % ее составных компонентов, в том числе и фрагментов молекул каучука, по отношению к массе вяжущего. Такое небольшое количество де-структурированных компонентов резиновой крошки не может оказать значительное влияние на изменение свойств вяжущего из-за того, что разорванные, но частично сшитые молекулы каучука не образуют сплошного дисперсного каркаса, армирующего вяжущее.
При двухстадийном технологическом процессе получения резинобитумного вяжущего степень уменьшения размера резиновой крошки уже составляет 15-20 %, что свидетельствует о деструкции 40-50 % резиновой крошки по объему (массе), а это составляет 8-10 % ее составных компонентов по отношению к массе вяжущего. Это приводит к тому, что разорванные, но частично сшитые молекулы каучука, экстрагированные из резиновой крошки, образуют дисперсный каркас, армирующий вяжущее и придающий ему улучшенные свойства. Данный факт подтверждается результатами исследований, полученными методом атомно-силовой микроскопии (рис. 2). На снимках поверхности битума, модифицированного резиновой крошкой при двухстадийном технологическом процессе, в отличие от одностадийного, четко прослеживается армирующая сетка, равномерно распределенная по всему объему, которой у битума, как известно, нет.
0х
О
Й н о
о «
и н
ä
80 70 60 50 40 30 20 10 0
V ' N
У 'У — - Щ _ Л V.
IT \\
'S s.S.
fr-
0,1 0,2
0,3
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Размер частиц резиновой крошки, мм
Исходная РК - РК 2 стадии/3 ч
РК 1 стадия/3 ч ---РК 2 стадии/1,5 ч
1
1,1
1,2
1,3
Рисунок 1 - Кривые гранулометрического состава резиновой крошки до и после термомеханической обработки
Дисперсный каркас
j Б
•' ч ; г 4 v..',
, V * > ' '
4 О S'V "- ■■ Л, -V - t >■■ -v j ' t ' К . ' ^.. . ч \.4 V
Рисунок 2 - АСМ изображения поверхности битума, модифицированного резиновой крошкой при одностадийном (А) и двухстадийном (Б) технологическом процессе
Заключение
В результате выполненных исследований установлено, что при двухстадийном технологическом процессе получения резинобитумного вяжущего степень уменьшения размера резиновой крошки в 4-5 раз больше, чем при одностадийном технологическом процессе. Это приводит к тому, что в резинобитумной вяжущем, полученном при двухстадийном технологическом процессе, в отличие от одностадийного, образуется дисперсный каркас, армирующий вяжущее и придающий ему улучшенные свойства.
Библиография
1. Bitumen-rubber composite [Электронный ресурс] // bitumen-rubber.com. - URL: http://www.bitumen-rubber.com/?brc=17. - Загл. с экрана.
2. Патент РФ № 2006145263/04, 19.12.2006. Мастика резинобитумная // Патент России № 2323231 С1, кл. C08L19/00 / Корнейчук Г.К., Дзюбанов С.П., Реутов В.А., Стибло Г.К. - Бюл. № 12.
0
3. Патент РФ № 2002108223/032002108223/03, 01.04.2002. Способ получения битумной мастики // Патент России № 2223292 С1, кл. C08L95/00 / Радина Т.Н., Свергунова Н.А., Аполинская О.И. - Бюл. № 12.
4. Патент РФ № 2164927 С2, 10.04.2001. Битумно-резиновая композиция и способ ее получения // Патент России № 2164927 С2, кл. C08L 95/00 / Розенберг Б.А., Эстрин Я.И., Эстрина Г.А. - Бюл. № 12.
5. Патент РФ № 2008108614/03, 04.03.2008. Асфальтобетонная смесь // Патент России № 2162475 С2, кл. C04B26/26 / Алексеенко В.В., Кижняев В.Н., Житов Р.Г., Митюгин А.В. - Бюл. № 8.
6. Патент РФ № 2010149038/05 , 10.08.2012. Модифицирующая композиция, способ ее получения и применение ее в асфальтобетонных дорожных покрытиях в различных климатических зонах // Патент России № 2458083 С1, кл. C08L017/00 / Горелик Р.А., Искрина Ю.А., Балыбердин В.Н., Слепая Б.М., Азиков Ю.В. - Бюл. № 8.
7. Патент РФ № 2007113596/04, 11.04.2007. Битумно-резиновая композиция и способ ее получения // Патент России № 2327719 С1, кл. C08L95/00 / Алексеенко В.В., Кижняев В.Н., Верещагин Л.И. и др. - Бюл. № 18.
8. Патент РФ № 2012125141/05, 18.06.2012. Битумно-резиновая композиция связующего для дорожного покрытия и способ ее получения // Патент России № 2509787 С2, кл. C08L 95/00 / Джон-стон Майкл Роберт Энтони. - Бюл. № 8.
9. Почапский Н.Ф., Сачко В.П. Полимеры в дорожном строительстве. - Киев: Будiвельник, 1968. - 85 с.
10. Сюньи Г.К., Егоров С.В. Опыт применения резиновых отходов в асфальтобетонных покрытиях на дорогах УССР // Автомобильные дороги. - 1954. - № 4. - С. 8-12.
11. Шилакадзе Т.А., Суренян Е.А. Резино-асфальтобетон в Грузии // Автомобильные дороги. -1965.- № 9. - С. 12-14.
12. Христофорова А.А. Асфальтобетон для строительства карьерных дорог в северных регионах: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. - Улан-Удэ, 2016. - 128 с.
13. Сюньи Г.К., Егоров С.В. Использование резиновых отходов в асфальтовом бетоне // Информационное сообщение КАДИ. - 1958. - № 28. - С. 7-11.
14. VanDerBie, Rubber for Roadway Purposes, Proceedings VIII, Congress Per-manent international Association of Roads Congress, report. - 1938. - N 13.
15. Патент РФ № 2010149038/05 , 10.08.2012. Модифицирующая композиция, способ ее получения и применение ее в асфальтобетонных дорожных покрытиях в различных климатических зонах // Патент России № 2458083 С1, кл. C08L017/00 / Горелик Р.А., Искрина Ю.А., Балыбердин В.Н., Слепая Б.М., Азиков Ю.В. - Бюл. № 8.
16. Патент РФ № 2007113596/04, 11.04.2007. Битумно-резиновая композиция и способ ее получения // Патент России № 2327719 С1, кл. C08L95/00 / Алексеенко В.В., Кижняев В.Н., Верещагин Л.И. и др. - Бюл. № 18.
17. Патент РФ № 2012125141/05, 18.06.2012. Битумно-резиновая композиция связующего для дорожного покрытия и способ ее получения // Патент России № 2509787 С2, кл. CT8L 95/00 / Джонстон Майкл Роберт Энтони. - Бюл. № 8.
Bibliography
1. Bitumen-rubber composite [Electronic resource] // bitumen-rubber.com. URL: http://www.bitumen-rubber.com/? brc = 17. - Title from the screen.
2. Patent RF, N 2006145263/04, 19.12.2006. Mastika rezinobitumnaya [Mastic rubber-bitumen] // Patent of Russia, N 2323231 С1, cl. C08L19/00. / Komeychuk G.K., Jubanov S.P., Reutov V.A., Stiblo G.K. -Bul. N 12
3. Patent RF, N 2002108223/032002108223/03, 01.04.2002. Method of obtaining bitumen mastic // Patent of Russia, No. 2223292 С1, cl. C08L95/00. / Radina T.N., Svergunova N.A., Apolinsky O.I. - Bul. N 12.
4. Patent RF, N 2164927 С2, 10.04.2001. Bitumen-rubber composition and method of its production // Patent of Russia, N 2164927 С2, cl. C08L 95/00 / Rosenberg B.A., Estrin Y.I., Estrin G.A. 110. - Bul. N 12.
5. Patent RF, N 2008108614/03, 04.03.2008. Asphalt concrete mixture // Patent of Russia, N 2162475 C2, cl. C04B26/26. / Alekseenko V.V., Kizhnyaev V.N., Zhitov R.G., Mityugin A.V. - Bul. N 8.
6. Patent RF, N 2010149038/05, 10.08.2012. Modifying composition, method of its production and application in asphalt concrete road pavements in different climatic zones // Russian Patent, N 2458083 Cl, cl. C08L017/00. / Gorelik R.A., Iskrina Yu.A., Balyberdin V.N., Blind B.M., Azikov Yu.V. - Bul. N 8.
7. Patent RF, N 2007113596/04, 11.04.2007. Bitumen-rubber composite and method of its production // Patent of Russia, N 2327719 Cl, cl. C08L95/00 / Alekseenko V.V., Kizhnyaev V.N., Vereshchagin L.I. et al. - Bul. N 18.
8. Patent RF, N 2012125141/05, 18.06.2012. Bitumen-rubber composition of road surface binder and method of its production // Patent of Russia, N 2509787 C2, cl. C08L 95/00 / Johnston Michael Robert Anthony. - Bul. N 8.
9. Pochapsky N.F., Sachko V.P. Polymers in Road Construction. - Kiev: Budivelnik, 1968. - 85 p.
10. Xunyi G.K., Yegorov S. V. Experience of rubber waste application in asphalt concrete surfaces on the roads of the Ukrainian SSR // Roads. - 1954. - N 4. - P. 8-12.
11. Shilakadze T.A., Surenyan E.A. Resino-asphalt concrete in Georgia // Roads. - 1965. - N 9. -P.12-14.
12. Christoforova A.A. Asphalt for the construction of quarry roads in the northern regions: Diss. ... tech. Sciences: 05.23.05. - Ulan-Ude, 2016. - 128 p.
13. Xunyi G.K., Yegorov S.V. Use of rubber waste in asphalt concrete // Information message KADI. -1958. - N 28. - P. 7-11.
14. VanDerBie, Rubber for Roadway Purposes. Proceedings VIII Congress Permanent international Association of Roads Congress, report. - 1938. - N 13.
15.Patent RF, N 2010149038/05, 10.08.2012. Modifying composition, method of its production and application in asphalt concrete road pavements in different climatic zones // Patent of Russia, N 2458083 Cl, cl. C08L017/00 /Gorelik R.A., Iskrina Yu.A., Balyberdin V.N., Blind B.M., Azikov Yu.V. - Bul. N 8.
16. Patent RF, N 2007113596/04, 11.04.2007. Bitumen-rubber composition and method of its production // Patent of Russia, N 2327719 Cl, cl. C08L95/00 /Alekseenko V.V., Kizhnyaev V.N., Vereshchagin L.I., et al. - Bul. N 18.
17. Patent RF, No. 2012125141/05, 18.06.2012. Bitumen-rubber composition of road surface binder and method of its production // Patent of Russia, N 2509787 C2, cl. C08L 95/00 /Johnston Michael Robert Anthony. - Bul. N 8.
