CC BY
47
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Материаловедение и технологии материалов
DOI.org/10.5281/zenodo.399009 УДК 665.775.4; 625.06
Г.К. Корнейчук, Ю.А. Буценко
КОРНЕЙЧУК ГОРДЕЙ КИРИЛЛОВИЧ - к.х.н., доцент кафедры материаловедения и технологии материалов Инженерной школы, е-mail: 1gkk@rambler.ru Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690950
БУЦЕНКО ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - генеральный директор ООО НПО «Эмульбит» (Владивосток), е-mail: emulbit@mail.ru
Разработка универсального нанополимерного вяжущего для дорожных асфальтобетонов
Аннотация: Представлен процесс разработки универсального высококачественного нанополимерного вяжущего для дорожных асфальтобетонов, по своим физико-механическим характеристикам удовлетворяющего условиям эксплуатации во всех регионах России и, вполне вероятно, мира. Его получение связано с эффективным использованием резины шинных отходов и специальной ультразвуковой технологии. На новом вяжущем произведены две опытные партии асфальтобетона, которые использованы для «ямочного» ремонта действующей автодороги с интенсивным движением тяжелого грузового транспорта. Ведется мониторинг состояния этих опытных участков дороги. Широкое применение нового вяжущего только для дорожных асфальтобетонов даст возможность увеличения объемов эффективной утилизации резины шинных отходов не менее чем в 5 раз. Разработанное вяжущее также рекомендуется для получения высококачественных кровельных и изоляционных материалов и покрытий.
Ключевые слова: битум, универсальное нанополимерное вяжущее, шинные отходы, асфальтобетон, адгезия.
Введение
Шинные отходы - одни из самых вредных техногенных отходов. В России, как практически во всех странах мира, длительное время ведутся изыскания эффективных способов их утилизации. В этом плане перспективно использование резиновой крошки шинных отходов для производства дорожных асфальтобетонов, мировое производство которых достигает порядка нескольких миллионов тонн в год.
Впервые такую крошку использовали как модифицирующий наполнитель при производстве асфальтобетонных смесей. Этот способ назван «сухим», теоретически он позволил бы утилизировать большую часть шинных отходов. Однако он был отвергнут: при первых же его применениях проявились два существенных недостатка: качество асфальтобетона не повышалось, а при эксплуатации дороги выбивалась резиновая пыль, что чрезвычайно вредно для живых организмов.
Создание полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) [2], обладающих более высокими (по сравнению с битумом [1]) физико-механическими показателями, позволило развить идею использования отходов шинной резины для модификации битума с целью создания резинобитумного вяжу-
© Корнейчук Г.К., Буценко Ю.А., 2017
О статье: поступила: 27.01.2017; принята к публикации: 10.02.2017, финансирование: бюджет ДВФУ.
щего. Такой способ был назван «мокрым», так как это вяжущее вводилось в минеральную часть асфальтобетонной смеси так же, как и битум, - в традиционно жидком виде. Приготовление вяжущего заключалось в термической обработке смеси битума с резиновой крошкой. Предполагалось, что часть резины подвергнется деструкции и девулканизации непосредственно в битуме, а «освободившиеся» в результате этого молекулы каучука будут модифицировать битум.
На практике оказалось, что ощутимая деструкция и девулканизация шинной резины в битуме происходит лишь при температурах 300-400 °С. Но при температурах выше 180 °С происходит сильное испарение легких фракций битума и резко ухудшаются его технологические характеристики (вязкость, пенетрация). Поэтому стали использовать определенные способы для повышения концентрации каучука в битуме. Например, в США для повышения степени деструкции и де-вулканизации шинной резины используют специальные химические добавки. В России дополнительно добавляют полимеры, например эпоксидные (УНИРЕМ). Предложен также способ получения концентрата с повышенным содержанием «свободного» каучука путем высокотемпературной обработки смеси битума с резиновой крошкой: для получения вяжущего туда добавляют «свежий» битум. Но во всех случаях по технологическим причинам не удалось использовать шинную резину в количестве более 15% (по массе).
Постановка задачи
Этими способами удалось получать резинобитумные вяжущие хотя и с лучшими, чем у дорожных битумов, физико-механическими показателями, но все же недостаточными для реальных условий большинства регионов России, прежде с агрессивными условиями эксплуатации дорог, т.е. с максимальными температурами: выше +30 °С и ниже -30 °С. В этих случаях температура размягчения вяжущего должна быть не ниже +55 °С, а хрупкости - не выше -30 °С. Кроме того, у полученных резинобитумных вяжущих остались недостатки, присущие исходным битумам, -неудовлетворительная адгезия к минеральным веществам - наполнителям асфальтобетонной смеси с кислой природой поверхности и недостаточная эластичность.
В последние годы интенсивно разрушаются дорожные покрытия в большинстве регионов России, особенно в центральных, северных, сибирских и дальневосточных, это свидетельствует о том, что применяемые дорожные асфальтобетоны (основные физико-механические свойства которых определяются их вяжущим) совершенно не удовлетворяют условиям эксплуатации дорог. Следует отметить, что на сегодня лучшими вяжущими являются ПБВ, но они дефицитны и дороги, так как производятся из первичного сырья в ограниченном количестве.
Несмотря на большое количество используемых вяжущих, ни одно из них не может применяться во всех регионах России, т.е. не является универсальным. Следовательно, в каждом регионе должна быть специальная лаборатория для подбора вяжущего конкретно для условий территории.
Мы поставили задачу на основе эффективного использования резины шинных отходов создать новое универсальное высококачественное вяжущее для дорожных асфальтобетонов, удовлетворяющее условиям эксплуатации всех регионов Российской Федерации.
Процесс создания нового вяжущего
Для реализации поставленной задачи мы дополнили традиционный термический метод получения вяжущих ультразвуковым. В процессе длительных лабораторных исследований нами установлены закономерности процессов, протекающих в смеси битум-резиновая крошка шинных отходов при одновременном термическом (до 180 °С) и специальном ультразвуковом воздействии. Это позволило довести концентрацию резиновой крошки до 30% (по массе), в результате значительно повысились физико-механические показатели композиции [7]. Кроме того, под действием ультразвуковой обработки значительно понизилась вязкость смеси. Поэтому на следующем этапе мы стали использовать эту возможность для «ступенчатого» увеличения концентрации резиновой крошки, что позволило исследовать изменения физико-механических параметров получаемых композиций с использованием резиновой крошки до 50% (по массе) [8]. Лабораторные исследова-
ния с применением ультразвукового аппарата мощностью 150 Вт показали принципиальную возможность использования резины шинных отходов для создания нового высококачественного вяжущего с намного более высокими (по сравнению с известными) характеристиками.
Затем встал вопрос создания опытно-промышленной установки для производства нового вяжущего. Для этого была разработана и сконструирована пилотная установка со специальным ультразвуковым аппаратом мощностью 1 кВт. Такой аппарат сконструировали по нашему заказу в Бийском технологическом институте под руководством профессора В.Н. Хмелева. На его основе построена пилотная установка (рис. 1), на которой мы провели исследования технологического характера. Полученные результаты позволили сконструировать (с использованием этого же ультразвукового аппарата) вторую пилотную установку [4]. Исследования, проведенные на пилотных установках, позволили, в свою очередь, разработать оптимальную опытно-промышленную технологию производства нового вяжущего. Кроме того, было установлено, что создаваемая мощная ультразвуковая кавитация вызывает деструкцию и девулканизацию шинной резины с дальнейшим диспергированием образовавшихся частиц активных и неактивных наполнителей резины и молекул каучука до наноразмеров [6]. Следовательно, значительное изменение физико-механических характеристик получающихся композиций можно объяснить известным в нанотехнологиях «размерным» эффектом. Поэтому справедливо называть разработанное вяжущее нанополимерным.
Кроме этого установлено, что нанополимерное вяжущее, полученное с использованием 50% (по массе) шинной резины, обладает высокими физико-механическими характеристиками [8], удовлетворяющими условиям эксплуатации во всех регионах не только России, но, возможно, и мира. Поэтому его можно назвать универсальным.
Учитывая, что конечной целью нашей разработки вяжущего является его лучшая по сравнению с имеющимися аналогами практическая применимость, была построена опытно-промышленная установка небольшой производительности для получения партий нового вяжущего, достаточных для производства опытных партий асфальтобетона. Измерения физико-механических показателей полученной партии нового универсального вяжущего [5] подтвердили результаты лабораторных и пилотных исследований, в том числе очень хорошую технологическую характеристику. В конечном итоге измерение основных стандартных характеристик лабораторных образцов асфальтобетона, полученного на новом вяжущем, показало их соответствие требованиям ГОСТа [3] (см. таблицы 1 и 2 [5]).
Рис. 1. Пилотная установка.
Экспериментальные результаты
Полученная партия была разделена на две части. Первая (традиционно жидкая) использована в Приморском крае для производства на АБЗ опытной партии горячего асфальтобетона, которую сразу же применили для ямочного ремонта дороги с интенсивным движением, в том числе
тяжелого автотранспорта. После укладки на дорожное полотно асфальтобетонная смесь уплотнялась тяжелым катком. Вторую, гранулированную, часть опытной партии универсального вяжущего использовали в холодном виде для производства следующей опытной партии асфальтобетона, которую так же, как и первую, сразу же пустили на ямочный ремонт той же автодороги. Таким образом, были заложены два опытных участка с новым асфальтобетоном: первый в августе 2016 г., второй - в начале октября того же года. Необходимо отметить, что производство асфальтобетона на гранулированном новом вяжущем оказалось гораздо технологичнее, чем на жидком.
Практический эксперимент преследовал две основные цели:
- проверка возможности производства асфальтобетона с использованием только гранулированного нового вяжущего;
- сравнительная проверка качества дорожного покрытия, выполненного из асфальтобетона на гранулированном новом вяжущем.
Результаты показали, что использование универсального нового вяжущего в гранулированном виде очень перспективно (таблицы 1, 2).
Таблица 1
Сопоставление показателей физико-механических свойств нового нановяжущего с требованиями ГОСТа к дорожному битуму БНД 90/130 и полимерно-битумному вяжущему ПБВ 90
Физико-механические показатели вяжущего Требования ГОСТ 22245-90 к битуму БНД 90/130 [1] Исходный битум БНД 90/130 Требования ГОСТ Р 52056-2003 к ПБВ 90 [2] Новое нановяжущее
Пенетрация: о при 25 С 90-130 99 90-130 205
при 0 С >28 31 40-50 108
Температура размягчения по КИШ, С, не менее 43 50 51 73
Температура хрупкости по Фраасу, С, не выше -17 -21 -25 -38
Растяжимость, см:
при 25 С 68 78 30 15
при 0 С 4 6 15 8
Эластичность, %:
при 25 С - 0 85 70
при 0 С - 2 75 75
Изменение температуры
размягчения после прогрева, С 5 5 6 6
Температура вспышки, С,
не менее 230 230 220 230
Адгезия к минеральным веществам, баллы (от 1 до 5),
не более: с природой
основной - 4 5 5
кислотной - 2 3 5
Применение гранулированного нового универсального вяжущего для производства асфальтобетона освобождает АБЗ от необходимости транспортирования и круглогодичного хранения жидкого битума. В то же время предприятие, производящее новое гранулированное вяжущее вне зависимости от времени года, может использовать необходимый битум «с колес». Кроме того, в новом универсальном вяжущем резина шинных отходов заменяет 50% битума, т.е. получается существенная его экономия.
Таблица 2
Физико-механические характеристики асфальтобетона на новом нановяжущем по сравнению с известными марками
Физико-механические показатели асфальтобетонов Требования ГОСТ 9128-2013 БИТРЭК УНИРЭМ АБ на новом нановяжущем
Предел прочности при сжатии, МПА, не менее: для типа Б: при 50 С при 20 С при 0 С 1,2 2,5 < 11,0 2.7 5.8 4,0 1,0 2,2 12,0 3,5 6,4 10,2
Водостойкость, %, не менее: для типа Б 0,9 1,0 1,0 1,0
Водостойкость при длительном водонасыще-нии, %, не менее 0,85 0,98 0,9 0,98
Сдвигоустойчивость, %: - по коэф. внутр. трения, не менее; - по сцеплению при сдвиге при 50 С, не менее - - 0,81 0,35 0,89 0,46
Сцепление вяжущего с поверхностью минеральной части, баллы (от 1 до 5) Не менее 3 баллов - - 5
До настоящего времени постоянно проводится мониторинг состояния опытных участков дорожного полотна с новым асфальтобетоном, главное внимание уделяется образованию трещин и отслоений, которых на момент данной публикации нет: состояние опытных участков отличное (рис. 2), что подтверждает, например, акт выполненных работ по испытанию резинобитумного вяжущего АРБК-50 при асфальтировании автодорог от 26.08.2016.
Рис. 2. Асфальт на первом опытном участке дороги (заложен в августе 2016 г.),
состояние на 01.10.2016.
По нашему мнению, разработанное вяжущее имеет большие перспективы для использования в качестве основы для создания новых кровельных и изоляционных материалов.
Заключение
Итак, в результате проведенных лабораторных, пилотных и опытно-промышленных исследований создано уникальное новое универсальное нанополимерное высококачественное вяжущее для дорожных асфальтобетонов. Кроме того, сделано следующее.
- Разработана технология промышленного производства созданного вяжущего.
- Построена опытно-промышленная установка, на которой проведены соответствующие исследования и выпущена опытная партия нового вяжущего.
- Произведены две опытные партии асфальтобетона на жидком и гранулированном новом вяжущем, которые были уложены на разных участках дороги с интенсивным движением автотранспорта.
- Производится мониторинг двух опытных участков дороги с новым асфальтобетоном.
- Производство и использование резины шинных отходов в качестве вторичного сырья для производства нового универсального нанополимерного вяжущего позволит существенно увеличить объемы их утилизации. Это, в свою очередь, даст возможность существенной экономии материалов, получаемых из первичного сырья (нефти), - специальных синтетических каучуков и дорожных битумов.
- Новое вяжущее рекомендуется для использования в качестве основы для получения высококачественных кровельных и изоляционных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 22245-90. Битумы нефтяные дорожные. Технические условия.
2. ГОСТ Р 52056-2003. Вяжущие полимерно-битумные на основе блок-сополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия.
3. ГОСТ 9128-2013. Смеси асфальтобетонные, полимерасфальтобетонные, асфальтобетон, полимерас-фальтобетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия.
4. Корнейчук Г.К., Буценко Ю.А. Новое высококачественное вяжущее для асфальтобетонных дорожных покрытий с эффективным использованием резины шинных отходов // Вестник Инженерной школы Дальневост. федеральн. ун-та. 2015. № 4. С. 23-28.
URL: https://www.dvfu.ru/vestnikis/archive-editions/4-25/3/5 (дата обращения: 14.12.2017).
5. Корнейчук Г.К., Буценко Ю.А. Новый асфальтобетон с нанополимерным вяжущим, полученным с использованием резины шинных отходов и ультразвуковых технологий // 8-я науч.-практ. конф. «Вопросы современной науки: проблемы, тенденции и перспективы», Москва, 13 января 2013 // Chronos Journal. 2017, январь. С. 76-80.
URL: http://chronos-joumal.ru/archive/new/Chronos_multi_january_2017.pdf (дата обращения: 10.11.2016).
6. Корнейчук Г.К., Никифоров П.А., Пигильцин О.С., Буценко Ю.А. Деструкция резины под действием ультразвука // Южно-сибирский научный вестник. 2015. № 3(11). С. 41-51/ URL: http://s-sibsb.ru/issues-of-the-journal.html?sobi2Task=sobi2Details&catid=32&sobi2Id=297 (дата обращения: 12.12.2016).
7. Пат. 2489464 Российская Федерация: Способ приготовления резинобитумной композиции» / Г.К. Корнейчук; заявл. 2012127266 от 29.06.2012, зарег. 10.07.2013.
8. Пат. 2550888 Российская Федерация: Способ приготовления резинобитумной композиции / Г.К. Корнейчук; заяв. 2012154148 от 13.12.2013, зарег.15.04.2015.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE THE NEXT PAGE
Materials Science and Technology of Materials
DOI.org/10.5281/zenodo.399009
Korneichuk G., Butsenko U.
GORDEY KORNEICHUK, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Materials Science and Technology of Materials, School of Engineering, e-mail: 1gkk@rambler.ru Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690950
YURI BUTSENKO, General Director, NPO Emulbit, e-mail: emulbit@mail.ru Vladivostok, Russia
Universal nanopolymeric binder for road asphalt concrete
Abstract: The article presents the formulation process of the universal high-quality nanoplymeric binder for road asphalt concretes whose physico-mechanical properties meet the requirements of service conditions in all the regions of Russia and, perhaps, the entire world. The formulation was based on the efficient use of waste tires and special ultrasonic techniques. Using the new binder, two development batches of asphalt concrete were produced and tested when repairing holes on a road with heavy freight traffic. The condition of those experiment sections of the road is being monitored. Widespread use of the new binder for road asphalt concretes will ensure the increase in the effective management of the rubber of waste tires more than fivefold. The formulated binder may be recommended as well to produce high-quality roof materials and insulation coverings.
Key words: bitumen, waste tire, rubber, ultrasound, nanoparticles, asphalt concrete, adhesion.
REFERENCES
1. GOST 22245-90. The bitumen road. Specifications.
2. GOST R 52056-2003. Binders polymer-bitumen on the basis of block copolymers of the type styrene-butadiene-styrene. Specifications.
3. GOST 9128-2013. Asphalt concrete mixture, polymerisation, asphalt, polymerisation for roads and airfields. Specifications.
4. Korneichuk G.K., Butsenko Y.A. New high-quality binder for asphalt pavements with the effective use of rubber tire waste. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2015;4:23-28.
URL: https://www.dvfu.ru/vestnikis/archive-editions/4-25/375 - 14.12.2017.
5. Korneichuk G.K., Butsenko Y.A. New asphalt with a nanopolymeric astringent obtained from the use of rubber tire waste and ultrasonic technology. 8th scientific and practical. Conf. "Issues of modern science: problems, trends and prospects", Moscow, 2013, January,13. Chronos Journal. 2017, January. S. 76-80.
URL: http://chronos-journal.ru/archive/new/Chronos_multi_january_2017.pdf - 11.10.2016.
6. Korneychuk G.K., Nikiforov P.A., Pigiltsyn O.S., Butsenko J.A. Degradation of rubber under the action of ultrasound. South-Siberian Scientific Bulletin. 2015(11);3:41-51. URL: http://s-sibsb.ru/issues-of-the-journal.html?sobi2Task=sobi2Details&catid=32&sobi2Id=297. - 12.12.2016.
7. Pat. 2489464 Russian Federation: Method of making rubber-bitumen composition. Korneichuk G.K., application 2012127266 of 29.06.2012, registered 10.07.2013.
8. Pat. 2550888 Russian Federation: Method of making rubber-bitumen composition. Korneichuk G.K., application 2012154148 from 13.12.2013, registered 5.04.2015.
