CC BY
656
Danilin Alexander Nikolaevich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, head of chair, andanilin@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Rabinsky Lev Naumovich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, dean, head of chair, _ f9 decaimai. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute
УДК 625.7.8
ПЕРЕРАБОТАННЫЙ ПЛАСТИК В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
А. В. Лысянников, Е. А.Третьякова, Н. Н. Лысянникова
Рассмотрены существующие конструкции дорожных покрытий, выявлены их основные достоинства и недостатки. Раскрыта проблема утилизации бытовых и промышленных отходов, представлены направления повторного использования пластиковых отходов с целью сохранения окружающей среды, развития ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве, снижения издержек на утилизацию отходов, повышения качества и долговечности дорожного покрытия.
Ключевые слова: дорожное покрытие, переработанный пластик, ресурсосбережение, утилизация мусора, пластиковая плита, переработка мусора, строительство.
По мере развития общества и промышленности все большей проблемой современного мира становится загрязнение окружающей среды. Виды загрязнений достаточно многообразны по своей силе воздействия.
Актуальной проблемой являются переработка отходов и их повторное использование. Решение проблемы позволит создать новые предприятия и улучшить экологическую обстановку. Вторичная переработка отходов для профильных производств значительно экономит расход полимерного сырья и электроэнергии, а также способствует увеличению производимой продукции без дополнительных вложений на закупку сырья. В некоторых странах перерабатывается до 90 % бытовых и промышленных отходов в РФ эти цифры значительно ниже [1, 2].
Рост автомобилизации в РФ стимулирует тенденцию к интенсификации реконструкции дорожной инфраструктуры и благоустройства городов. Такая тенденция в условиях кризисного состояния экономики делает особенно актуальной задачу разработки экономичных дорожных покрытий, обладающих высокими эксплуатационными качествами, показателями современного технического уровня и позволяющих вести круглогодичное строительство. В этом отношении высокие потенциальные возможности имеют дорожные покрытия из сборных элементов [3].
105
Целью работы являются поиск путей решения утилизации (переработки) пластикового мусора и развитие ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве.
Автомобильные дороги в зависимости от типа покрытия делятся напостоянные и временные. В РФ выделяют следующие основные конструкции временных дорог [4]:
а) грунтовые дороги без покрытия (земляное полотно);
б) с покрытием низшего типа:
1) из грунтов, улучшенных добавками;
2) деревогрунтовые;
3) сборно-разборные (колейные и сплошные) с деревянным покрытием;
4) зимние;
5) ледовые переправы;
в)дороги с покрытием переходного типа:
1) гравийные и щебеночные;
2) сборные с покрытием из железобетонных плит.
Грунтовые дороги без покрытия (рис.1) состоят из естественного и природного материала (песок, глина, каменистая почва, дерн и т.д.). Преимуществом грунтовых дорог является малая стоимость строительства, недостатками - недолговечность (3 - 5 лет); выдержка минимальных нагрузок; неустойчивость к воздействию дождевых осадков.
Рис. 1. Грунтовые дороги без покрытия (земляное полотно)
Покрытия простейших или низших типов построены из выравненного скального или крупнообломочного грунта (рис. 2, а), из грунтов, укрепленных или улучшенных различными скелетными добавками (щебень, гравийи др.), местными малоактивными веществами (гранулированный доменный шлак, золы уноса, фосфогипс) [5].
Преимуществами данных покрытий являются достаточная долговечность, низкая стоимость строительства, простота ремонта, недостатками - катающиеся или выступающие из покрытия крупные скелетные добавки, в сухую погоду нарушается сплошность поверхности, образуется волнистость, при увлажнении покрытие деформируется, образуются колеи, скопление на поверхности в отдельных местах однородного (крупного или мелкого) материала, при достаточной толщине покрытия образуются крупные просадки, волны.
Рис. 2. Покрытия временных дорог низшего типа: а - покрытие из скального грунта; б - дерево-грунтовое покрытие; в - покрытие из деревянных щитов; г - покрытие из сборно-разборных дорожных плит; д - снежное покрытие; е -ледяное покрытие
Дерево-грунтовое покрытие (рис. 2, б) устраивают в виде сплошного настила из бревен диаметром 0,25...0,30 м, уложенных перпендикулярно направлению движенияи засыпанных сверху грунтом. Преимуществами дерево-грунтовых покрытий являются быстрота возведения, низкая стоимость, недостатками - недолговечность, низкая транспортная скорость; необходимость ежегодного ремонта вследствие движения основания под бревнами, транспортные средства с большим весом могут «собрать» бревна при движении.
Дороги со сборно-разборным покрытием используют на болотах I и II типов, на многолетнемерзлых, мелкодисперсных и сильно увлажненных грунтах. Основным элементом дороги являются деревянные щиты (бревна длиной 6 м, диаметром 0,18...0,25 м, скрепленные стяжными шпильками) (рис. 2, в), бетонные плиты или сборно-разборные дорожные плиты (рис. 2, г). Преимущества покрытия из деревянных щитов: быстрота возведения; низкая стоимость строительства. Преимущества покрытия из сборно-разборных дорожных плит: простота монтажа и эксплуатации; быстрое развертывание системы (до 1 км/24 ч) без использования дополнительной техники. Недостатками сборно-разборных покрытий являются низкая транспортная скорость; высокая стоимость конструкций, ограничения по ширине проезжей части.
Зимники - автомобильные дороги со снежным покрытием (рис. 2, д), эксплуатируемые только в зимних условиях при минусовой температуре, - в качестве строительного материала используются снег [6]. Преимуществами зимников являются низкая стоимость строительства; спо-
107
собность выдерживать высокие нагрузки, высокая транспортная скорость, недостатками - сезонность использования, низкие сцепные качества, необходимость использования при строительстве специальной техники.
Ледовые переправы (рис. 2, е) представляют собой замороженную поверхность водоемов, связывающую участки суши, эксплуатируются от нескольких недель до нескольких месяцев [7]. Преимущества: малая стоимость строительства, выдерживают высокие нагрузки, недостатки: сезонность использования, низкие сцепные качества, низкая транспортная скорость.
В качестве основного продукта при строительстве щебеночных покрытий (рис. 3, а) используется щебень.
а б в г
Рис. 3. Временные дороги с покрытием переходного типа: а - щебеночное покрытие; б - гравийное покрытие; в - покрытие из железобетонных плит; г - покрытие из железобетонных плит с последующим стягиванием тросами
Преимущества щебеночных покрытий: укладка основания может проводиться при неблагоприятных погодных условиях, простота ремонта, недостатки: быстрый износ и малая устойчивость к воздействию нагрузок от колес автомобилей; необходимость периодической подсыпки щебеночного материала.
Гравийные покрытия (рис. 3, б) по большинству своих параметров схожи с щебеночными, но отличаются используемым для строительства материалом. Преимуществами гравийных покрытий являются малая стоимость строительства; простота обслуживания (периодическая подсыпка гравием); хорошая водопроницаемость, скорость движения до 70 км/ч, недостатками - при зимнем содержании вместе со снегом удаление части гравия, образование колеи и канавок, где накапливается вода; необходимость периодической подсыпки гравия [8].
Эффективным и экономичным способом строительства дорог, выдерживающих высокие нагрузки, является использование дорожных плит (рис. 3, в, г).
Преимущества данных покрытий состоят в прочности и долговечности материала, возможности повторного использования, устойчивости к очень низким и высоким температурам, простоте технологии монтажа,
недостатки - в расхождении соединительных швов в результате подвижек грунта, большом весе, что затрудняет процесс их транспортировки [9], а также в сложной технологии сборки при использовании плит с каналами для стальных тросов. При использовании плит со сквозными каналами для тросов недостатком является трудоемкость операций по стягиванию плит между собой стальными тросами (рис. 3, г).
Мощеные покрытия (рис. 4, а) устраиваются методом укладки натурального камня, брусчатки. На сегодняшний день встречаются редко и применяются в основном при строительстве дорожек в парках.
а б в г
Рис. 4. Дороги с жестким покрытием: а-мощеные покрытия; б - сборные цементные конструкции; в - асфальтовое покрытие;
г - бетонные дороги
Преимущества данных покрытий: относительная легкость монтажа, прочность, стойкость и долговечность, недостатки: высокая стоимость, трудность обработки камня, деформация покрытия в процессе эксплуатации.
Сборные цементные конструкции (рис. 4, б) применяются при строительстве мостов. Цементные конструкции обладают следующими преимуществами: высокой стойкостью к нагрузкам, высокой прочностью (позволяет пропускать все транспортные средства в любое время года); устойчивостью к погодным воздействиям, длительным межремонтным сроком (30-40 лет), высокими сцепными свойствами, малым износом покрытия (0,1...0,2 мм в год). Недостатки: большое число поперечных швов, которые ухудшают эксплуатационные качества и ровность покрытия, сложность технологии ремонта.
Асфальтовые покрытия (рис. 4, в) являются одними из основных и считаются самыми надежными и востребованными (срок службы не менее 7 лет).
Преимуществами асфальтного покрытия являются экономичность (по сравнению с бетоном, кроме того, строительство дороги из асфальта занимает меньше времени, так как асфальт быстрее высыхает), вторичная переработка (асфальт может производиться из переработанного сырья), простота обслуживания (можно отремонтировать определенный участок), возможность укладки асфальта на старый слой, хорошие сцепные качества.
109
Недостатки: низкая прочность (погодные условия оказывают значительное влияние на покрытие), тщательная подготовка многослойного основания частый ремонт, трудоемкая технология ремонта; загрязнение окружающей среды (при плавлении асфальта испаряется большое количество вредных веществ).
Бетонные дороги (рис. 4, г) имеют широкое применение за рубежом, в РФ данная технология не популярна (применяется в основном на аэродромах), так как укладка асфальта дешевле [9]. Преимущества таких дорог: отсутствует необходимость в частом ремонте, срок службы более 40 лет, транспорт расходует меньше топлива (при движении машин с большим грузом бетонная дорога не деформируется, в результате чего необходимо на 20 % меньше топлива для передвижения), устойчивость к экстремальным погодным условиям (не оказывают влияния сильные дожди, высокие (низкие) температуры воздуха), сохранение экологии (т. к. транспорт тратит меньше топлива для передвижения, то и окружающая среда загрязняется меньше), экономное использование ресурсов природы (бетон получают из известняка, а асфальт - из нефти). Недостатками являются: высокая стоимость, сложная технология ремонта (если основание приходит в непригодность, то нужно менять целую плиту, при наличии снега или воды на поверхности резко уменьшается коэффициент сцепления [9].
В промышленном и гражданском строительстве в последнее время все большее применение находят многокомпонентные конструкции - комбинированные, составные, сочлененные, представляющие собой системы, в которых различным образом объединены для совместной работы самостоятельные несущие элементы разных форм и размеров.
В дорожном строительстве зарубежных стран наблюдается тенденция ресурсосбережения. Для производства дорожных покрытий и сборных дорожных конструкций используются как новые материалы, так и материалы, полученные в результате вторичной переработки отходов, что имеет реальные перспективы развития.
Группа компаний «Рускомпозит» занимается производством легкосборных композитных плит (рис. 5, а) [10]. Преимуществами данных конструкций является: простота сборки, высокая стойкость к нагрузкам (до 80 т); небольшой вес плит, что позволяет их транспортировать с малыми экономическими затратами, возможность применения на участках со сложными геологическими условиями, в болотистых местностях. Недостатки: недолговечность в результате многократного воздействия тяжелой техники (особенно гусеничной), ограничения по скорости передвижения транспорта.
Асфальт состоит из гравия, песка и битума, получаемого из таких полезных ископаемых, как сланец, уголь, нефть, которые из года в год истощаются, становясь все дороже, при этом количество отходов повсеместно растет быстрыми темпами, даже в океанах образовались целые острова
из мусора, в основном из пластика [11]. Этот факт наталкивает на идею использования мусора для замены традиционных материалов в дорожном строительстве продуктами переработки пластика.
г д ж
Рис. 5. Дорожные покрытия с применением пластика: а - дорожное полотно из пластиковых плит «Рускомпозит»; б - пластиковое дорожное покрытие ККPlasticWasteManagement; в - сеть дорог в г. Ванкувере, построенных с применением переработанного пластика; г - пластиковые дороги компании VolkerWessels; д - покрытие
EcoRaster; ж - покрытие с добавлением резиновой крошки
Примером добавления в асфальтовую смесь полимера из переработанного пластика является опыт компания КК PlasticWasteManagement (Индия, штат Химачал-Прадеш) (рис. 5, б). Пластмассовые отходы перерабатываются, обогащаются стабилизаторами и смешиваются с битумом, в результате получается новое дорожное водонепроницаемое покрытие, отличающееся большей прочностью и долговечностью по сравнению с традиционным асфальтом [12].
Власти г. Ванкувер планируют к 2020 г. сделать его самым экологичным городом в мире. С этой целью в настоящее время реализуется проект по созданию нового дорожного покрытия (рис. 5, в), которое на 80 % состоит из асфальта и на 20 % из переработанного пластика, что выдает в итоге вполне привычный глазу серый шероховатый асфальт. Основное преимущество состоит в том, что несколько его километров помогают очистить кубометры земли от мусора, также для его производства требуется меньшая температура по сравнению с традиционным асфальтом, что значительно снижает энергетические затраты [11].
111
В составе асфальта и пластика присутствуют одни и те же углеводороды, выделяемые из нефти, поэтому отличие в уровне токсичности между материалами нет. Пластиковая дорога обходится на 3 % дороже асфальтовой, что оправдывается экономией на утилизации огромных свалок пластикового мусора [11].
Проектное бюро УоШжШевБеЬ предложило идею строительства дорог из пластиковых плит (рис. 5, г) [11]. Преимущества данных конструкций: в качестве основного материала для их изготовления используется переработанный пластик, простота технологии укладки/монтажа, устойчивость к воздействию осадков и горючих веществ (автомобильных масел и электролитов), стойкость к температурным перепадам (от -40 до +80 оС), наличие полости внутри плит дает возможность разместить коммуникации (газо-, водопровод, линии связи, электрику), возможность предусмотреть подогрев покрытия, высокий коэффициент сцепления шин, возможность наносить всю необходимую дорожную разметку [11], недостатками являются установка плит «стык-в-стык» без фиксации друг с другом, отсутствие данных по предельной массе, которую способно выдержать пластиковое полотно, о сроке эксплуатации, о возможности выдерживать ежедневную нагрузку, о том, как поведут себя плиты при замерзании воды в водоводном канале [11].
Американские технологи внедрили альтернативное покрытие ЕсоЯ^ег (рис. 5, д), изготовленное из пластика, смешенного с традиционными составляющими обычной дороги, водонепроницаемое полотно представляет собой соединенные в единую систему решетчатые плиты. Ячейки блоков заполняют галькой, гравием или растительностью, которая спасает от эрозии почвенные покровы, а ливневые воды очищаются от загрязнения посредством природной фильтрации.
Преимуществами данного покрытия является долговечность, простота технологии и малая продолжительность ремонта, а, следовательно, экономия бюджета. За один год эксплуатации покрытия ЕсоЯ^ег уровень парниковых газов снизился на 300 тонн [11].
В американском штате Аризона применяют асфальтовое покрытие - с добавлением резиновой крошки из переработанных покрышек (рис. 5, ж) [11]. Данная технология основана на том, что основным компонентом асфальта, помимо гравия, песка и минерального порошка, является битум, получаемый при переработке углеродосодержащих полезных ископаемых (нефти, каменного угля, сланцев), при осуществлении обратной технологии заменитель битума можно получить из старых автомобильных шин.
В США ежегодно утилизируют около 300 млн шин, которые, как правило, не перерабатываются. Резиновая крошка, полученная от переработки шин, в смеси с асфальтом образует более прочное, «тихое», быстросохнущее после осадков, а также менее скользкое по сравнению с асфальтовым покрытие. Из одной шины от легкового автомобиля получается 2 кг
резиновой крошки. «Резиновый асфальт» уже применяют в Калифорнии, Аризоне и Флориде, потенциал этого материала изучают в Техасе, Небраске, Южной Каролине, Нью-Йорке и Нью-Мексико, но для переработки используют только 12 млн шин. Американский опыт пригодился в Израиле, где продукты нефтепереработки в особом дефиците.
В РФ использовать шины для дорожного строительства предлагала корпорация «Роснано» в рамках программы «Инновационная дорога», но, к сожалению, в Москве эти инициативы развития не получили. Зато идея возродилась в г. Югра (Ханты-Мансийский автономный округ)
[13].
В китайской провинции Шэньси автомобильную скоростную дорогу протяженностью 122 км построили из строительного мусора, использовав 6 млн тонн отходов для устройства дорожной подушки. Таким образом было сэкономлено примерно 47 млн $, 3,4 млн м3 песка, 32 тонны угля, а, главное, 200 гектаров земли, которые бы потребовались для захоронения отходов. На один километр ушло около 47 тонн мусора.
По результатам проведенного анализа можно сделать вывод, что в последнее время появились перспективные инновационные направления использования переработанного пластика в дорожном строительстве с целью получения качественного и долговечного покрытия.
Польза от применения пластика в дорожном строительстве двойная: и для экологии, и для экономики благодаря тому, что нуждающийся в утилизации мусор (пластиковые бутылки, стаканы, пакеты) превращается в строительный материал, т.е. полезное сырье.
Температура производства покрытия снижется с 160 до 120 оС, что способствует значительной экономии энергии, выбросы в атмосферный воздух парниковых газов снижаются, срок эксплуатации нового асфальта значительно возрастает, к тому же со временем с появлением в асфальте трещин ремонт производится путем нагрева и перераспределения пластика.
Производство асфальта с добавлением пластика дороже обычного на 3 %, однако его экологичность и перспективность вполне компенсируют повышенные затраты на производство.
Малый вес пластиковых дорожных плит и простота их монтажа значительно сократит экономические затраты при их транспортировке.
Применение технологий строительства дорожных покрытий с использованием материалов, полученных при переработке пластиковых отходов, позволит сэкономить значительные суммы на ремонте дорог. Почти миллион километров автомобильных трасс ежегодно требует инвестиций 1 - 2 триллионов рублей. На данный момент доля модифицированных дорог с добавлением полимеров в России составляет 5 % по сравнению с 15 % в США и Китае и 20 % в Европе.
В РФ существует единственная компания-монополист «СИБУР Холдинг», выпускающая дорожные полимерные добавки, но она не планирует выпускать инновационный продукт, так как это является дорогостоящей технологией.
Отсутствие нормативной базы и технических стандартов по работе с полимерами для дорожного покрытия выводит проблему пластиковых дорог на законодательный уровень. Внесение изменений в технический регламент требует соответствующего ГОСТа, для этого нужно одобрение СоюздорНИИ, и вышестоящего Росавтодора.
Список литературы
1. Сайт Переработка отходов и промышленных материалов [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://promplace.ru/ obrabatyvau-schaya- promyshlennost-i-pererabotka-materialov-staty/pererabotka-plastika-1469.htm (дата обращения: 17.07.2017).
2. Сайт передовых зеленых технологий в России и за рубежом [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://greenevolution.ru/ blogs/tri-glavnye-problemy-p (дата обращения: 17.07.2017).
3. Карпов Б. Н.Сборные многокомпонентные дорожные покрытия: дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2000. 330 с.
4. Инструкция по строительству временных дорог для трубопроводного строительства в сложных условиях (на обводненной и заболоченной местности). ВСН 2-105-78. М.: Миннефтегазстрой, 1978. 68 с.
5. Устройство дорожных одежд с покрытиями низших типов [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://www.studfiles.ru/ (дата обращения: 17.07.2017).
6. Информационный портал. Зимники - дороги севера [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://trans-continental.ru/ (дата обращения: 17.07.2017).
7. Сайт энциклопедия интересных мест нашей планеты [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://etotam.com/ (дата обращения: 17.07.2017).
8. Сайт промышленной фирмы «БауПром». Технология устройства гравийных дорог [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://www.bau-prom.ru/ (дата обращения: 17.07.2017).
9. Сайт «Всё о бетоне». [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://kladembeton.ru/sooruzheniya/esche/dorogi-iz-be (дата обращения: 17.07.2017).
10. Интернет-портал «Российской газеты» [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: https://rg.ru/ (дата обращения: 17.07.2017).
11. Сайт автожурнала «Fastmb» [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://fastmb.ru/autonews/autonews rus/1565-v-rossii- (дата обращения: 17.07.2017).
12. Информационный портал об упаковке [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://www.upakovano.ru/news/28468 (дата обращения: 17.07.2017).
13. Сайт журнала «За рулем» [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://www.zr.ru/content/articles/848428-musornvi-xai (дата обращения: 17.07.2017).
Лысянников Алексей Васильевич, канд. техн. наук, доц., av. lysyannikov@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Третьякова Екатерина Александровна, студентка, katya. tretyakova. 1996@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Лысянникова Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., nataly.nm@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
RECYCLED PLASTIC IN ROAD CONSTRUCTION A. V. Lysyannikov, E.A. Tretiakova, N.N. Lysyannikova
The existing designs of road surfaces, the main advantages and disadvantages. The problem of disposal of household and industrial waste, the directions of the re-use of plastic wastes for environmental conservation, development of resource-saving technologies in road construction, reduce costs for waste disposal, improving the quality and durability of the pavement.
Key words: pavement, recycled plastic, resource saving, waste disposal, plastic plate, waste recycling, construction.
Lysyannikov Aleksey Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, av. lysyannikov@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Tretiakova Ekaterina Aleksandrovna, student, katya. tretyakova. 1996@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Lysyannikova Nataly Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, nataly. nmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and
Gas
