CC BY
20УДК (
Sergey V. Dronov1, Aida H. Gadjieva2
APPLICATION OF ROOF BITUMEN-CONTAINING WASTES IN THE PRODUCTION OF BITUMEN COMPOSITION MATERIALS
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), 26, Moskovsky Pr., St Petersburg, 190013, Russia. e-mail: dronov@technolog.edu.ru
The composition of bitumen-containing roofing wastes is analyzed, the possibiitty of using the main product of processing bitumen-containing roofing wastes as a component of bitumen composite materials is shown.
Keywords: bituminous composite materials, bituminous powder, mineral part, melting point, penetration
Введение
Битумные композиционные материалы находят широкое применение во многих отраслях строительства. В виде различных мастик и герметиков, их используют для изоляции трубопроводов и бетонных конструкций, для гидроизоляции кровель, мостов и фундаментов зданий, при ремонте дорожных и аэродромных покрытий и т.д. [1]. К битумным композиционным материалам относятся также полимер-битумные вяжущие (ПБВ), используемые для изготовления высококачественных асфальтобетонных смесей [2]. Указанные материалы обладают целым рядом уникальных эксплуатационных свойств (эластичностью, высокой адгезией к различным поверхностям, термостойкостью, водостойкостью и т.п.), но, к сожалению, под воздействием внешних факторов происходят необратимые изменения этих свойств, ограничивающие срок их службы. Необходимость восстановительного ремонта, в большинстве случаев, требует удаления отслуживших свой срок материалов, что приводит к образованию значительного количества битумсодержащих отходов. Наибольший объем отходов образуется при ремонте дорожных покрытий и замене мягкой кровли промышленных и жилых зданий [3]. В первом случае, крошка из старого асфальтобетонного покрытия находит квалифицированное использование каким-либо из известных способов [4]. Во втором случае, остатки мягкой кровли, представляющие собой смесь битума, полимеров, тканных материалов различной природы,
1.165
С.В. Дронов1, А.Х. Гаджиева2
ПРИМЕНЕНИЕ КРОВЕЛЬНЫХ
БИТУМСОДЕРЖАЩИХ
ОТХОДОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ
БИТУМНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр-т, 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: dronov@technolog.edu.ru
Проанализирован состав битумсодержащих кровельных отходов, показана возможность применения основного продукта переработки кровельных битумсодержащих отходов как компонента битумных композиционных материалов
Ключевые слова: битумные композиционные материалы, битумный порошок, минеральная часть, температура размягчения, пенетрация.
картона и минеральных порошков (кварцевый песок, песок дробления минералов и т.п.), в полной мере можно отнести к трудно разложимыми в естественных условиях отходам IV класса опасности [5, 6].
К настоящему времени существуют технологии переработки битумсодержащих кровельных материалов на специализированных мини-заводах [7]. Технологическая линия позволяет разделять кровельные отходы на так называемый «битумный порошок» и битумизированный картон (с волокнами тканей). «Битумный порошок» можно использовать для выплавки чистого битума, но процесс является очень энергоемким, а готовый продукт отличается нестабильностью параметров, затрудняющей его дальнейшее применение. С этой точки зрения, непосредственное использование «битумного порошка» в составе битумных композиционных материалов более целесообразно. Основным недостатком битумного порошка является содержание в нем до 25 % минеральных примесей (смесь кварцевого песка, песков дробления и т.п.). При этом определенным достоинством «битумного порошка» является его сыпучесть, т.е. возможность точного дозирования в процессе смешения с учетом особенностей свойств конкретной партии.
Цель работы: анализ состава образцов «битумного порошка» и исследование влияния «битумного порошка» на свойства битумных композиционных материалов.
1. Дронов Сергей Вячеславович, канд. хим. наук, доцент каф. технологии нефтехимических и углехимических производств, e-mail: dronov@technolog.edu.ru
Sergey V. Dronov, Ph.D. (Chem.), Associate Professor, Department of Technology of Petrochemical and Coal Chemical Production
2. Гаджиева Аида Хафизовна, магистрант каф. технологии нефтехимических и углехимических производств, e-mail: aida.gadjieva@mail.ru
Aida H. Gadzhiyeva, undergraduate of Department of Technology of Petrochemical and Coal Chemical Production Дата поступления - 29 января 2019 года
Экспериментальная часть
Для исследования были взяты 6 образцов «битумного порошка» - по 3 образца от двух различных производителей: ООО "ИНЭКОВИР" (Российская Федерация) далее по тексту - производитель № 1 и СООО "Самсонов и Кнудсен" (Республика Беларусь) далее по тексту - производитель № 2.
Для характеристики «битумного порошка», как компонента битумных композиционных материалов, были определены: процентное содержание минеральной части, основные характеристики органической части и плотность минеральной части.
Содержание минеральной части было установлено по результатам серии экспериментов по растворению образцов «битумного порошка» в органических растворителях (индивидуальных углеводородах и товарных нефтепродуктах), а также путем сжигания в муфельной печи при температуре (815±10) °С (в соответствии с ГОСТ-11022-95). По итогам обработки экспериментальных данных, средняя величина содержания минеральной части в «битумном порошке» (производители №1 и №2) составила 22,5 % мас.
В случае применения растворителя, из полученного раствора путем отгонки растворителя, был выделен битумсодержащий продукт, представляющий собой смесь битума, органических пластификаторов и модифицирующих добавок (использованных при производстве исходных битумных кровельных материалов). Для битумсодержащего продукта, который и является органической частью «битумного порошка», была определена пенетрация (по ГОСТ 33136-2014) и температура размягчения (по ГОСТ 32054-2013). Полученные средние значения пенетрации (44,5(-0,1 мм)) и температуры размягчения (51,5 °С) соответствуют требованиями, предъявляемым к битуму марки БН 50/50 (ГОСТ 6617-76).
В качестве одной из важнейших характеристик минеральной части, во многом определяющей возможность использования «битумного порошка» в составе битумных композиционных материалов, является ее плотность. Средняя плотность минеральной части представленных образцов (производители №1 и №2) была определена в соответствии с методикой ГОСТ 8735-88 и составила 2,875 г/см3.
Современные битумные композиционные материалы представляют собой смеси из битумов различных марок, полимеров и функциональных присадок (пластификаторов и т.п.). В связи с тем, что плотность минеральной части значительно превышает плотность органических веществ, при добавлении «битумного порошка» в расплавленный битум (в технологии приготовления битумных композиционны материалов) возможно осаждение минеральной части. Образование осадка значительно усложнит процессы приготовления и применения битумных композиционных материалов. Для оценки вероятности осаждения минеральной части при добавлении «битумного порошка» при приготовлении битумных композиций была определена се-диментационная устойчивость дисперсной системы битумный композиционный материал - минеральная часть.
Для целей эксперимента был приготовлен образец полимер-битумной мастики в соответствии с СТБ 1092-2006. Компоненты мастики: дорожный битум БДУС 70/100 (ООО «ПО Киришинефтеоргсинтез»); масло И-20А (ПАО «НК «Роснефть»); резиновая крошка
(ООО «ВторРесурс»); полимер ДСТ 30-00 (ПАО «Сибур холдинг»).
Для определения седиментационной устойчивости образец «битумного порошка» помещался в емкость (оборудованную мешалкой) с расплавленной полимер-битумной мастикой при температуре 180 °С. После перемешивания в течение 1 ч композиция выдерживалась при температуре 180 °С еще 1 ч и охлаждалась до комнатной температуры. По высоте ёмкости отбирались 4 пробы (каждая из трех образцов) битумого композиционного материала и в каждой из них определялось содержание минеральных веществ в соответствии с ГОСТ-11022-95 (в муфельной печи при температуре (815±10) °С). Результаты эксперимента представлены в таблице 1.
Таблица 1. Седиментационная устойчивость дисперсной системы битумный композиционный материал -__минеральная часть
№ пробы сверху в низ Содержание минеральной части, % мас
«битумный порошок» № 1 «битумный порошок» № 2
1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 2-3
1 11,1 11,0 10,9 10,3 10,0 9,9
2 11,6 11,8 11,5 10,8 10,9 10,1
3 13,1 13,0 12,8 11,9 11,8 11,3
4 13,3 13,8 13,7 12,8 12,7 12,9
Более высокая концентрация минеральных веществ в нижней части емкости свидетельствует об определенном влиянии разности плотностей органических компонентов (битум, масло и резиновая крошка) и минеральной части в процессе получения битумного композиционного материала. При этом относительно равномерное распределение минеральной части по объему (разница по содержанию не более 3 %) битумного композиционного материала (мастики) возможно связано с образованием полимерной пространственной структуры, которая препятствует осаждению минеральной части. Резиновая крошка, которая набухает в смеси масла и битума с образованием небольших пространственных структур, также может препятствовать осаждению.
Данные предположения были косвенно подтверждены экспериментом по определению седимен-тационной устойчивости дисперсной системы битум -минеральная часть. В полном соответствии с описанной выше методикой, вместо мастики был взят битум БДУС 70/100 (ООО «ПО Киришинефтеоргсинтез»). По высоте ёмкости отбирались 4 пробы (каждая из трех образцов) битума и в каждой из них определялось содержание минеральных веществ в соответствии с ГОСТ-11022-95 (в муфельной печи при температуре (815±10) °С). Результаты эксперимента представлены в таблице 2.
Таблица 2. Седиментационная устойчивость дисперсной _системы битум - минеральная часть
№ пробы с верху в низ Содержание минеральной части, % мас.
«битумный порошок» № 1 «битумный порошок» № 2
1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 2-3
1 7,1 7,0 6,9 6,6 7,0 6,9
2 8,6 8,8 8,5 8,8 8,0 8,1
3 14,1 13,8 12,9 12,9 12,9 13,3
4 16,3 15,8 16,7 16,8 17,0 16,9
В результате опыта произошло частичное осаждение минеральной части. Содержание минеральных веществ в нижней части емкости превысило, более чем в 2 раза, содержание минеральных веществ в верхней части. В отсутствии добавок полимеров и резиновой крошки, осаждению минеральной части препятствует только увеличивающаяся вязкость битума при его охлаждении.
Влияния добавки «битумного порошка» на эксплуатационные свойства битумных композиционных материалов изучено на примере таких показателей, как температура размягчения и пенетрация. Температура размягчения определялась по методу «кольцо и шар» по ГОСТ 11506-73.
Пенетрация определялась в соответствии с МИ 2418-97 "Классификация и применение технических средств испытаний нефти и нефтепродуктов" на приборе ПН-20Б. Для эксперимента были приготовлены образцы битумных мастик с различным содержанием компонентов (таблица 3): дорожный битум БДУС 70/100, масло И-20А и «битумный порошок». Содержание резиновой крошки и полимера ДСТ 30-00 не менялось. В качестве основы взята полимер-битумная мастика состава приведенного в таблице 3 (образец 1). В процессе приготовления полимер-битумных мастик в расплавленный товарный битум осуществлялось введение «битумного порошка» в количестве от 5 до 40 % (от общей массы композиции).
Результаты определения температуры размягчения и пенетрации приведены в таблице 3.
Таблица 3. Состав и свойства полимер-битумных мастик
Компонент Состав образцов, % мас.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Битум 80 75 70 60 55 50 45 40 35
Битумный порошок - 5 10 20 20 30 30 40 40
Масло 10 10 10 10 15 10 15 10 15
Полимер 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Резиновая крошка 5 5 5 5 5 5 5 5 5
КиШ, оС 79 79 80 82 80 87 82 97 93
Пенетрация при 25 оС, 26 24 23 18 25 17 23 13 19
0,1мм
Как видно из полученных экспериментальных данных добавление «битумного порошка» в количестве до 10 % (вместо битума) практически не влияет на температуру размягчения и пенетрацию. Дальнейшее увеличение содержания «битумного порошка» приводит к ожидаемому увеличению температуры размягчения и уменьшению пенетрации. Уменьшение последнего показателя отрицательно сказывается на эксплуатационных показателях полимер-битумной мастики: уменьшается эластичность и, как правило, увеличивается температура хрупкости. Для стабилизации значения пенетрации при добавлении «битумного порошка» было предложено увеличивать содержание масла И-20 (образцы 5, 7 и 9). Например, при введении 30 % «битумного порошка» и увеличении содержания масла до 15 % удалось достигнуть значения пенетрации близкого к значению для полимер-
битумной мастики не содержащей «битумного порошка».
Выводы
1. Установлено, что относительно высокое содержание минеральных веществ в составе «битумного порошка» не является препятствием для его использования в качестве компонента битумных композиционных материалов.
2. Обнаружено, что содержание до 10 % мас. «битумного порошка» в составе битумных композиционных материалов (мастик) практически не влияет на их важнейшие эксплуатационные показатели (температуру размягчение и пенетрацию). При увеличении содержания «битумного порошка» более 10 % потребуется корректировки состава битумных композиционных материалов с целью сохранения требуемых характеристик.
3. Применение «битумного порошка» вместо товарного битума в составе битумных композиционных материалов не только решает экологическую проблему утилизации отходов, но позволяет снизить себестоимость целого ряда товарных продуктов.
Литература
1. Алексеенко В.В., Лебедева К.Ю. Битумно-резиновые дорожные и гидроизоляционные мастики // Вестник ИрГТУ. 2012. № 11. С. 98-100.
2. Навотный О. И. [и др.]. О возможности использования полимерно-битумных вяжущих на основе асфальтов в дорожном строительстве // Известия Саратовского университета. Новая серия. 2013. № 4. С. 27-30.
3. Мифтахов М.Н. Проблема утилизации битумных отходов // Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. 2017. № 1. С. 14-22.
4. Зайцев А. И., Лебедев А.Е, Бадаева Н.В., Романова М.Н. Технологические особенности производства асфальтобетонной смеси с использованием частиц старого асфальтобетона, полученных в том числе методом терморазделения агломератов // Фундаментальные исследования. 2016. № 5-1. С. 38-42.
5. Устинов Д.Б. Технология применения вяжущего порошка из кровельных битумных отходов // Механизация строительства. 2011. № 3. С. 13-15.
6. Карпов Г.Н. Кровельным отходам необходима промышленная переработка // Вестник ОГУ. 2003. № 5. С. 144-147.
7. Борисович У.Д. Опыт переработки кровельных битумных отходов // Механизация строительства. 2011. № 6. С. 20-22.
Referenœ
1. Alekseenko V.V., Lebedeva K.Ju. Bitumno-rezinovye dorozhnye i gidroizoljacionnye mastiki // Vestnik IrGTU. 2012. № 11. S. 98-100.
2. Navotnyj O.I. [i dr.]. O vozmozhnosti ispol'zovanija polimerno-bitumnyh vjazhushhih na osnove asfal'tov v dorozhnom stroitel'stve // Izvestija Sara-tovskogo universiteta. Novaja serija. 2013. № 4. S. 27-30.
3. Miftahov M.N. Problema utilizacii bitumnyh othodov // Social'no-jekonomicheskie i tehnicheskie siste-my: issledovanie, proektirovanie, optimizacija. 2017. № 1. S. 14-22.
4. А.1., 1.еЬес1еу А.Е, Вас/авуэ N. V., Р1о-тапоуа M.N. ТвИпо1од1сИв8к1е о8оЬеппо8й рго11Уо181уа asfal'tobвtonnoj 8тв81 8 ¡вроГгоуатет сИа811с 81агодо asfal'tobвtoпa, ро1ысИвппуИ V tom ch¡slв mвtoCom ter-moгazCвlвп¡ja aglomвгatov // FuпCamвпtal'пyв ^вСо-vaп¡ja. 2016. № 5-1. Б. 38-42.
5. Ust¡пov й.В. Tehnologija рптепепр vjazhushhвgo poгoshka ¡z kгovвl'пyh b¡tumпyh othoCov // Mehanizacija stroitel'stva. 2011. № 3. S. 13-15.
6. Каго К^еГпут оШоСат пвobhoC¡ma pгomyshlвппaja pвгвгabotka // Vestnik OGU. 2003. № 5. Б. 144-147.
7. ВопюжЬ и.й. Opyt pererabotki kгovвl'пyh Ы-tumпyh о№о^ // Mвhaп¡zac¡ja stгo¡tвl'stva. 2011. № 6. Б. 20-22.
