CC BY
50УДК 691.16
П.С. БЕЛЯЕВ, д-р техн. наук, О.Г. МАЛИКОВ, канд. техн. наук,
С.А. МЕРКУЛОВ, магистрант (polymers@asp.tstu.ru), Д.Л. ПОЛУШКИН, канд. техн. наук, В.А. ФРОЛОВ, магистрант (polymers@asp.tstu.ru), Тамбовский государственный технический университет
Решение проблемы утилизации полимерных отходов путем их использования в процессе модификации дорожного вяжущего
В настоящее время объем образования пластиковых отходов в России составляет более 3 млн т. Еще около 1 млн т отходов образуется за счет изношенных автомобильных шин. Перспектива цивилизованного и эффективного использования образующихся отходов все еще далека. В России перерабатывают лишь незначительную часть отходов полимерных материалов (ПМ), причем 70—80% переработки приходится на долю промышленных отходов. Распределение отходов пластмасс по видам представлено на рис. 1.
Переработка отходов актуальна не только с позиций охраны окружающей среды, но и в связи с увеличивающимся дефицитом первичного полимерного сырья [1]. При этом вторичное использование отходов ПМ, а также резинотехнических позволяет сохранить природные запасы ценного сырья, стимулирует развитие ресурсосберегающих технологий, способствует очищению и оздоровлению окружающей среды. В настоящее время поиску эффективного пути утилизации твердых бытовых отходов из ПМ уделяется все большее внимание. Складирование, захоронение и сжигание отходов полимеров экономически неэффективно и экологически небезопасно, так как при длительном хранении и горении они могут выделять в окружающую среду вещества, способные привести к нарушению экологического равновесия [2].
Опыт дорожного строительства европейских стран и России показывает, что одним из возможных методов утилизации полимерных отходов является их использование в процессе модификации дорожных вяжущих [3]. Так, при укладке 1 км дорожного полотна может быть утилизировано путем модификации вяжущего до 1 т полимерных отходов.
Модификация дорожных вяжущих полимерными материалами позволяет улучшить их адгезионные, прочностные и деформационные характеристики, что, в свою очередь, способствует улучшению свойств дорожного покрытия.
Перспективным направлением утилизации резино-содержащих отходов, в частности изношенных автомобильных шин, является получение регенерата резиновой крошки (РРК), который также может быть использован для модификации нефтяных битумов, заменяя первичные каучуковые компоненты вторичным сырьем [3].
Целью работы является исследование процесса модификации дорожных битумов отходами ПМ, в том числе резиносодержащими, для придания получаемым в результате дорожным вяжущим высоких эксплуатационных характеристик, а также установление зависимости между свойствами вяжущего и рецептурой модифицирующих добавок.
В качестве дорожных вяжущих (объекта исследования) использовали нефтяные дорожные битумы, которые представляют собой дисперсные коллоидные системы сложного химического состава. В их состав входят три основные группы компонентов: асфальтены,
смолы и высокомолекулярные углеводороды [4]. Битумы характеризуются определенными показателями качества: пенетрацией, температурой размягчения и дуктильностью, но не обладают таким важным показателем, как эластичность.
В качестве дорожных вяжущих во второй дорожно-климатической зоне, к которой относится Тамбовская область, рекомендованы битумы марок БНД 90/130 и БНД 60/90 (ГОСТ 22245-90). Использование битума БНД 90/130 ограничено, поскольку он обладает более высокими показателями пенетрации по сравнению с маркой БНД 60/90.
Анализ литературных источников позволил установить, что в настоящее время существует достаточно широкий спектр материалов, которые используются в роли модифицирующих добавок, в том числе следующие виды высокомолекулярных соединений: эластомеры, термопласты и термоэластопласты (ТЭП) [5]. Как модификатор битума хорошо зарекомендовали себя в этой области термоэластопласты на основе бутадиена и стирола типа СБС, введение которых приводит к повышению дуктильности и появлению эластичности у вяжущего [4]. Недостатком применяемых модификаторов является высокая стоимость получаемого полимер-битумного вяжущего (ПБВ), которая практически в два раза превосходит цену исходного битума.
Исследования авторов были направлены на изучение возможности использования полиэтилена (ПЭ), полученного при утилизации отходов тары и упаковки, отходов стрейч-пленки (ОСП) и их смесевых композиций для полной или частичной замены при модификации битумов дорогостоящего ТЭП. Также в работе в качестве модифицирующего материала применяли регенерат резиновой крошки (РРК) из изношенных автомобильных шин, полученный при различных тем-пературно-временных параметрах обработки в процессе термической девулканизации. Для этого измельчен-
Таблица1
Параметры процесса девулканизации Содержание растворимой части,% Степень девулканизации, %
Температура, оС Время выдержки, мин
160 60 36,33 22,57
90 32,14 22,96
120 27,84 24,56
200 60 34,13 27,91
90 37,82 30,29
120 36,8 31,84
240 60 30 25,8
90 39,7 27,61
120 32,75 34,28
научно-технический и производственный журнал
Таблица 2
Состав Пенетрация П25-0,1 мм Растяжимость, мм Температура размягчения, оС Эластичность, %
Норма для ПБВ ГОСТ Р 52056-2003 60 250 54 80
Исходный битум марки БНД 60/90 60 550 47 -
Исходный битум марки БНД 90/130 114 765 46 -
БНД90/130 + ТЭП 111 740 55 61
БНД90/130 + ПЭ 65 245 55 10
БНД90/130 + ОСП 80 245 55 8
БНД60/90 + РРК 92 165 54 35
БНД90/130 + ТЭП + ПЭ 39 370 75 76
БНД90/130 + ТЭП + ОСП 44 620 78 85
БНД60/90 + ТЭП + РРК 48 300 58 60
БНД90/130 + ТЭП + ПЭ + ПААД 66 790 72 83
БНД90/130 + ТЭП + ОСП + ПААД 48 630 60 64
БНД60/90 + ТЭП + РРК + ПААД 44 270 59 62
Рис. 1. Диаграмма распределения различных видов отходов пластмасс
120
100
80
60
40
20
60
54§
«I
I
111
74
61
55 1
1
1
65
55
80
55
92
54
35
13!
16,
82
75
60
Норма для ПБВГОСТР 52056-2003
БНД+ТЭП БНД+ПЭ БНД+ОСП БНД+РРК БНД+ПААД
И Пенетрация, П25 0,1 мм Н Температура размягчения, оС
ЕЗ Дуктильность, .10 мм И Эластичность, %
Рис. 2. Диаграмма изменения физико-механических свойств битумов, модифицированных отдельными компонентами
80
65
55
2 45
75
39
37
Норма для ПБВ ГОСТ Р52056-2003
БНД+ПЭ
83
79
66
72
ЕЗ Пенетрация, П25 0,1 мм Н Температура размягчения, оС
БНД+ТЭП+ПЭ БНД+ТЭП+ +ПЭ+ПААД
ЕЗ Дуктильность, .10 мм
И Эластичность, %
Рис. 3. Диаграмма изменения физико-механических свойств битумов, модифицированных комплексными модификаторами на основе ПЭ
8
0
0
0
ную до состояния крошки резину автомобильных шин, отделенную от металлических и иных включений, предварительно смешивали с мягчителями и агентами девулканизации и выдерживали в термостате при заданной температуре. Оценку содержания растворимой части и степени девулканизации РРК с изменением технологических параметров процесса девулканизации (время выдержки 60, 90, 120 мин, температура в термостате 160, 200, 240оС) проводили по ацетоновой и хлороформенной экстракции в соответствии с Г0СТ-2603—79. В качестве мягчителя и агента девул-канизации использовали мазут и стеариновую кислоту, которые были выбраны исходя из экологической безопасности по сравнению с другими активаторами процесса девулканизации.
Для модификации битума полимерными материалами была разработана конструкция смесителя периодического действия. Повышение смесительного воздействия в разработанной конструкции осуществляется с помощью лопастных и пропеллерных насадок, позволяющих создавать интенсивные вертикальные и горизонтальные потоки материала, что обеспечивает более высокое диспергирующее воздействие на материал и интенсифицирует возможные процессы растворения в битуме модифицирующих добавок. Регулирование температуры смесительной камеры осуществляется в широ-
ком диапазоне, что позволяет проводить модификацию различными полимерными материалами.
Оценку физико-механических показателей получаемого модифицированного вяжущего проводили в соответствии с принятыми в РФ стандартами: пенетрация (ГОСТ 11501—78), температура размягчения (ГОСТ 11506-73), дуктильность (ГОСТ 11505-75) и эластичность (ГОСТ Р 52056-2003).
В табл. 1 представлены результаты оценки качественных показателей РРК из изношенных автомобильных шин в зависимости от условий проведения процесса девулканизации.
Как видно из табл. 1, повышение температуры процесса девулканизации и времени выдержки материала приводит к увеличению степени девулканизации получаемого регенерата.
В табл. 2 представлены физико-механические показатели дорожных битумов БНД 60/90 и БНД 90/130, модифицированных вторично используемыми полимерными материалами. Для улучшения качественных показателей модифицированного вяжущего в ряде случаев использовали поверхностно-активные адгезионные добавки (ПААД). В табл. 2 представлены также результаты модификации битума регенератом с наибольшей степенью девулканизации, полученным при температуре 240оС и времени выдержки 120 мин.
Г; научно-технический и производственный журнал
60
54
80
25
80
Норма для ПБВ ГОСТ Р 52056-2003
85
78
62
44
I
БНД+ОСП
48
63 64 60
I
0 Пенетрация, П25 0,1 мм Н Температура размягчения, оС
БНД+ТЭП+ ОСП БНД+ТЭП+
+ОСП+ПААД
ЕЗ Дуктильность, .10 мм
КЭ Эластичность, %
Рис. 4. Диаграмма изменения физико-механических свойств битумов, модифицированных комплексными модификаторами на основе ОСП
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
60
54
25
80
I
92
Норма для ПБВ ГОСТ Р 52056-2003
54
I
I I
58
60
48
I
30
59
62
44
27
БНД+РРК
БНД+ТЭП + РРК
БНД+ТЭП+ РРК+ПААД
И Пенетрация, П25 0,1 мм ЕЗ Дуктильность, .10 мм
Н Температура размягчения, оС К Эластичность, %
Рис. 5. Диаграмма изменения физико-механических свойств битумов, модифицированных комплексными модификаторами на основе РРК
На рис. 2 представлена диаграмма изменения физико-механических свойств битумов, модифицированных отдельными компонентами: ТЭП, ПЭ, ОСП, РРК и ПААД.
На рис. 3-5 — диаграммы изменения физико-механических свойств битумов, модифицированных комплексными модификаторами на основе ПЭ, ОСП и РРК.
Анализ данных показывает, что для выбранной климатической зоны и условий эксплуатации автомобильных дорог данного региона наиболее предпочтительным для создания дорожных вяжущих с требуемым комплексом свойств является битум БНД 90/130, модифицированный термоэластопластами типа СБС при их частичной замене более дешевыми полимерными отходами (полиэтилена или стрейч-пленки) с поверхностно-активными адгезионными добавками.
Такое модифицированное дорожное вяжущее по показателю пенетрации аналогично широко используемому в дорожном строительстве битуму БНД 60/90, но при этом обладает по сравнению с ним улучшенными растяжимостью и температурой размягчения. Кроме того, полученное путем модификации полимер-битумное вяжущее приобретает такую важную характеристику, как эластичность, которой исходный битум не обладает.
Использование комплексных модификаторов на основе ПЭ (рис. 3), ОСП (рис. 4), РРК (рис. 5) по сравнению с модификацией отдельными компонентами смесевой композиции (рис. 2) позволяет получить вяжущее со свойствами, не уступающими по показателям, требуемым для ПБВ (ГОСТ Р 52056-2003) на основе стирольных и бутадиен-стирольных каучуков, но обладающих существенно более низкой себестоимостью.
Таким образом, использование комплексных модификаторов на основе вторичного полимерного сырья при модификации нефтяных дорожных битумов позволяет направленно изменять физико-механические показатели дорожного вяжущего, существенно снижать себестоимость получаемых ПБВ, одновременно решая проблемы утилизации отходов полимерных материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (шифр 7.3766.2011) по теме «Разработка энергоэффективной технологии и оборудования утилизации отходов полимерной тары и упаковки» и в рамках научной школы (НШ 01.2012.05 ТГТУ) от 28.05.2012 г. «Теория и практика устойчивого развития природопромышленных систем. Проектирование
региональных утилизирующих комплексов, технологий и оборудования».
Ключевые слова: модификация битума, битумное вяжущее, отходы полимеров.
полимер-
Список литературы
2
Хазова Т.Н. Российский рынок полимеров: тренды развития // Полимерные материалы. Изделия, оборудование, технологии. 2011. № 141. С. 48—50. Шаповалов Ю.Н., Скляднев Е.В., Андреев В.А. и др. Новые технологии переработки различных видов отходов // Твердые бытовые отходы. 2011. № 1. С. 20—27.
3. Хозин В.Г., Порфирьева Р.Т., Фомин А.Ю. и др. Экологичная технология битумполисульфидных вяжущих // Вестник Казанского технологического университета. 2004. № 1. С. 375—376.
4. Калгин Ю.И. Дорожные битумоминеральные материалы на основе модифицированных битумов. Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2006. 272 с. Соломенцев А.Б. Классификация и номенклатура модифицирующих добавок для битумов // Наука и техника в дорожной отрасли. 2008. № 1. С. 14—15.
5.
ПОДПИСКА
и О О л СI/ т о п и и и и~1 ММ Л11-1 I I I ииили
о с о г I м.п и-1 Ы'Ии
журнала «Строительные материалы»®
научно-технический и производственный журнал 40 октябрь 2013 ~ Л1] ®
