CC BY
93
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 21, 2011.
-I-
УДК 665.775:625.855/.857
Б.Ш.Асельдеров, М.И.Лернер, Б.Г.Печеный
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ С РЕЗИНОВОЙ КРОШКОЙ «УНИРЕМ» НА СВОЙСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ
В статье рассмотрены свойства асфальтобетонных смесей с добавкой резиновой крошки марки РДС, марки ПР, а также резиновой крошки марки « Унирем», полученной упруго-деформационным измельчением отработанной шинной резины. Предложена схема введения составляющих компонентов асфальтобетонной смеси по схеме: щебень ^ песок ^ битум ^ резиновая крошка «Унирем» ^ минеральный порошок, позволяющая сократить продолжительность перемешивания смеси и получить асфальтобетоны повышенного качества при снижении расхода добавки «Унирем».
Ключевые слова: асфальтобетон, резиновая крошка, технология приготовления асфальтобетонных смесей, свойства, расход добавки.
B.Sh.Aselderov, M.I.Lerner, B.G.Pechenyi
EFFECT OF ASPHALT MIXTURES COOKING WITH RUBBER PIECE «UNIREM» ON THE PROPERTIES OF ASPHALT CONCRETE
The summary:
The article deals with the properties of asphalt mixes with the addition of crumb rubber stamps RDS brand PR and crumb rubber brands «Unirem» received by the elastic-deformation grinding the treated tire rubber. Proposed a scheme the introduction of constituents of asphalt concrete mixtures according to the scheme: gravel ^ sand ^ bitumen ^ rubber crumb «Unirem» ^ mineral powder that reduces the duration of stirring the mixture and get better quality blacktop with a decrease in consumption of supplements, «Unirem».
Keywords: asphalt, rubber crumb, the technology of preparation of asphalt mixes, properties, flow additives.
Проблема использования дробленной резиновой крошки в составе асфальтобетонных смесей является предметом исследований многих авторов. Однако как в нашей стране, так и за рубежом массового использования резинобитумноминеральных композиций в дорожном строительстве не наблюдается. Это обусловлено множеством факторов, определяющих качество битумоминеральных композиций с резиновой крошкой, которые не всегда учитываются при строительстве покрытий из этих композиций. Важнейшими из них являются [1] температурные режимы и продолжительность приготовления резинобитумноминеральных композиций; химический, фракционный состав и содержание резиновой крошки; марка, групповой химический состав и содержание битума в композиции; продолжительность пребывания резинобитумноминеральной смеси при высоких температурах после приготовления; условия укладки и уплотнения смеси в покрытии.
Уже с конца 60-х годов отдельные фирмы США, решая злободневную проблему ликвидации и утилизации резиносодержащих отходов, осуществляют промышленную переработку автопокрышек для производства асфальторезиновых смесей, используемых для дорожных покрытий [2]. Измельченный резиновый гранулированный материал добавляют в асфальтобетонную смесь в количестве 20-24%. Полученная асфальтовая смесь подвергается термообработке при 180-230Х, выдерживается, после чего используется в качестве дорожных покрытий. Стоимость такого покрытия вдвое выше обычного асфальтового покрытия, однако, по долговечности оно превосходит обычные
131
А-
покрытия в три раза [3]. По другим данным, введение в асфальтобетонную смесь 3%
резиновой крошки приводит к ее удорожанию на 50%, однако повышение долговечности покрытий примерно в два раза обуславливает высокую экономическую эффективность применения таких композиций [4].
К преимуществам асфальтобетона, модифицированного резиновой крошкой, относятся более высокое сопротивление деформациям и сдвигам при высоких температурах, а также более высокая трещиностойкость и долговечность. Наряду с этим, такие асфальтобетоны имеют некоторые недостатки: более длительное смешение компонентов, прилипание частиц смеси к катку при уплотнении, ограниченная уплотняемость покрытий из-за его упругой отдачи [4].
В исследованных асфальтобетонных смесях, содержащих до 3% резиновой крошки от массы минеральной части асфальтобетона, было установлено повышенное сцепление покрытий с колесом автомобиля, а также более высокая тепло-, трещиностойкость [5].
Существуют различные способы приготовления резинобитумноминеральных композиций. При введении резиновой крошки непосредственно в процессе изготовления асфальтобетонных смесей в минеральную часть свойства композиций получаются хуже, чем при введении в битум [6]. Это объясняется тем, что при введении в минеральную часть резиновой крошки последняя адсорбирует на своей поверхности минеральный порошок и плохо смачивается битумом.
Эффективность введения прямо в асфальтобетон 3-4% резиновой крошки с размером частиц 3,2 мм отмечается шведскими учеными [6] и выражается в уменьшении проскальзывания шин, особенно в условиях обледенения дороги.
Проведены исследовательские работы и выданы предложения по применению резиновой крошки 1 мм помола в верхнем покрытии усовершенствованных асфальтобетонных дорог [7]. Введение всего 1,5-3,0% резиновой крошки повышает сдвигоустойчивость асфальтобетона при повышенных температурах, его деформативную способность при отрицательных температурах, сцепление колеса автомобиля с влажным дорожным покрытием. Однако применение резиновой крошки в дорожном строительстве в настоящее время ограничивается ее высокой стоимостью.
Таблица 1
Свойства резинобитумоминеральных композиций в зависимости от режимов
приготовления
Температур Прочность при сжатии Водо- Коэффициент Температур
а Яс, МПа при насыщени водостойкости а растрес-
пере- 500С 200С 00С е % кратко дли кивания
мешивания смеси, 0С временны й тельный асфальтобетона, 0С
С добавкой резиновой крошки марки РДС
225 1,6/0, 9 7,5/7,0 15,7/15, 6 1,0/1,4 0,99/0,88 0,73/0,7 4 -46/-46
205 1,5/0, 9 7,4/7,0 15,6/15, 0 0,9/1,7 0,99/0,89 0,75/0,6 4 -46/-46
185 1,5/0, 3 7,2/6,9 15,6/14, 1 0,9/2,3 0,99/0,86 0,73/0,6 4 -44/-49
165 1,4/0 7,0/4,1 14,7/5,9 1,5/2,4 0,92/0,8 0,61/0,3 -44/-51
С добавкой резиновой крошки марки ПР-1
225 2,2/1, 0 10,5/7, 9 20,1/19, 0 0,6/1,9 0,92/0,82 0,75/0,7 -42/-43
205 1,6/0, 9 9,6/17, 3 18,7/17, 8 0,5/2,0 0,93/0,81 0,85/0,7 7 -44/-43
185 1,5/0, 4 8,4/6,0 18,7/16, 9 0,83/1,8 0,96/0,80 0,87/0,7 3 -40/-44
165 0,3/0 8,0/4,4 14,5/6,6 1,4/1,9 0,83/0,72 0,76/0,4 4 -40/-43
150 0,1/0 6,1/4,0 10,9/4,8 1,8/2,2 0,8/0,61 0,72/0,4 2 -41/-45
Без добавки резиновой крошки
160 -/1,1 -/4,2 -/14,6 -/2,7 -/0,84 -/0,62 -25/-27
Примечание. В числителе - смесь готовили при перемешивании в течение 1 мин с последующим выдерживанием при 1600С в течение 1 ч. В знаменателе - смесь готовили без выдерживания после перемешивания в течение 1 мин.
Резинобитумноминеральные смеси готовили на дробленом известняковом минеральном наполнителе [8]. Содержание битума марки БН 60/90 относительно массы минерального наполнителя составляло 5,8% а резиновой крошки 2%. Для сравнения испытывали асфальтобетон без добавки резиновой крошки с теми же компонентами при содержаний битума 6,5% ( таблица 1). Готовили смесь следующим образом: в нагретую мешалку (вращение вала 60 об/мин) загружали минеральную часть и битум, нагретые до заданной температуры, а затем резиновую крошку, Продолжительность перемешивания составляла 2 мин. Смесь, охлажденную до 1400С, загружали в пресс-форму диаметром 50 мм и готовили образцы прессованием в течение 3 мин под давлением 40 МПа. Через сутки образцы испытывали.
Повышенные температуры перемешивания и выдерживания
резинобитумноминеральных смесей после перемешивания обеспечивают высокие показателя прочности образцов при различных температурах, особенно при 500С. Стандартных значений прочности при 500С резинобитумноминеральные композиции с резиновой крошкой марки РДС достигают при перемешивании компонентов при температурах более 1650С с выдерживанием при 1600С в течение 1 ч.
В композициях с резиновым порошком марки ПР-1 стандартной прочности при 500С образцы достигают при температурах перемешивания компонентов более 1800С с последующим выдерживанием смеси при 1600С в течение 1 ч. Без выдерживания при температурах 2250С стандартных значений прочности при 500С образцы не достигают. Следует обратить внимание на то, что температуры растрескивания композиций мало зависят от температуры перемешивания компонентов. В целом, введение в битумоминеральную композицию резиновой крошки приводит к весьма существенному (на 20-250С) снижению их температур растрескивания, что позволяет значительно повысить долговечность таких композиций.
Как следует из представленных данных, температурно-временные режимы приготовления асфальтобетонных смесей оказывают решающее влияние на свойства асфальтобетонов.
На свойства асфальтобетонов значительное влияние оказывает состояние поверхности резиновой крошки. В восьмидесятые годы в Институте химической физики АН СССР разработан метод упруго-деформационного измельчения эластомеров [9], основанный на новой схеме нагружения и разрушения материалов. По этой схеме разрушение материала осуществляется с меньшими энергозатратами, а сам порошок отличается развитой поверхностью частиц. Измельченная по такому методу резина отличается от резины, полученной традиционным валковым способом более рыхлой структурой поверхности частиц, что проявляется в более быстром набухании ее в компонентах битумов. При измельчении резиносодержащих отходов по третьему методу - при температурах жидкого азота - частицы резиновой крошки имеют совершенно
А-
гладкую поверхность, что отрицательно отражается на скорости ее набухания и
пластификации в компонентах битумов.
Испытания резинобитумноминеральных композиций с добавками резиновой крошки, полученной валковым, упруго-деформационным методом и методом измельчения при температурах жидкого азота показали, что лучшие характеристики имеют образцы с резиновой крошкой, полученной упруго-деформационным методом, а наихудшие - в композициях, содержащих резиновую крошку, полученную измельчением резины при температурах жидкого азота.
В ООО «Уником» г. Подольск, Московской области организовано производство резиновой крошки «Унирем» из отработанных шин методом упруго-деформационного измельчения, которое используется в производстве асфальтобетонных смесей [10,11]. Содержание резиновой крошки «Унирем» по отношению к 100 мас. долей битума зависит от марки битума и составляет -8% для марки БНД 40/60, -10% для марки БНД 60/90, -12% для марки БНД 90/130 и -15% для марки БНД 130/200.
Температура асфальтобетонной смеси, модифицированной «Унирем» при выходе из смесителя должна находиться в диапазоне 145-1750С для асфальтобетонов с гранулометрией типа «А», «Б», «В» и ЩМА соответственно. При приготовлении асфальтобетонной смеси добавка «Унирем» вводится в смеситель в последнюю очередь сразу после введенного битума. Процесс перемешивания смеси после введения «Унирем» должен продолжаться не менее 1 минуты, а сама продолжительность перемешивания смеси определяется характеристиками применяемого оборудования. В общем, продолжительность перемешивания асфальтобетонных смесей с добавкой «Унирем» составляет около 2 мин, что в 2-3 раза больше, чем при приготовлении асфальтобетонных смесей без добавки.
Как следует из работы [12], последовательность введения составляющих компонентов асфальтобетонной смеси в смеситель значительно влияет на продолжительность перемешивания смеси и качество асфальтобетона. Показано, что при введении компонентов в асфальтобетонной смеси в последовательности: щебень ^ песок ^ битум (перемешивание 15 с) ^ минеральный порошок (перемешивание 20 с) позволяет получить асфальтобетоны повышенного качества. При традиционной схеме приготовления асфальтобетонных смесей, когда в смеситель загружаются щебень, песок, минеральный порошок и в последнюю очередь битум, происходит в первую очередь объединение битума с минеральным порошком. А это приводит к повышению вязкости битума, что затрудняет дальнейшее покрытие поверхности песчаных и щебеночных фракций, для чего требуется более продолжительное перемешивание смеси или повышение ее температуры.
Можно предположить, что введение в асфальтобетонную смесь резиновой крошки «Унирем» по схеме: щебень ^ песок ^ битум ^ «Унирем» ^ минеральный порошок создаст лучшие условия смачивания битумом резиновой крошки, ее набуханию, поскольку часть объема битума находится в свободном состоянии.
В связи с изложенным, в настоящей работе было изучено влияние последовательности введения компонентов асфальтобетонной смеси с резиновой крошкой на свойства асфальтобетонов.
Исследования асфальтобетонных смесей проводились на минеральных заполнителях - дробленном гравии Ивановского карьера, минеральном порошке гидрофобизированном Усть-Джегутинского карьера, битуме марки БНД 60/90 НовоУфимского НПЗ и измельченной шинной резиновой крошки «Унирем», полученной на установке ООО «Уником».
Гранулометрический состав минеральной части асфальтобетонных смесей типа «Б» и «Г» по ГОСТ 9128-2009 представлен в таблице 2.
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 21, 2011.
А-
Таблица 2.
Гранулометрические составы минеральных заполнителей асфальтобетонных смесей
Тип гранулометрии Доля частиц размером менее мм, масс.%
20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 0,071
«Б» 100 97 80 50,5 46,5 33 24 18,1 12 8,3
«Г» 100 100 100 97,5 75,5 56 39 26,5 17,5 12,0
Гранулометрический состав резиновой крошки «Унирем», определенный с помощью лазерного анализатора микрочастиц « Ласка-1К», представлен на рисунке 1.
Параметры распределения гранулометрического состава резиновой крошки «Унирем», представленные на рисунке 1 и в таблице 3, показывают, что средний диаметр частиц резиновой крошки составил 5,15 мкм при доле частиц диаметром 4,201 мкм 0,9746. Средний диаметр частиц резиновой крошки «Унирем» примерно в 2 раза меньший, чем у минерального порошка [12].
Таблица 3.
Параметры распределения гранулометрического состава резиновой крошки «Унирем»
Диаметр частиц, содержащих более, мкм Средний диаметр частиц, мкм Доля частиц, мас., диаметром, мкм
10% 25% 50% 75% 90% 4,201 14,99
3,016 3,631 4,477 5,579 7,0 5,15 0,9746 0,0254
Содержание битума в асфальтобетонной смеси с гранулометрией типа «Б» составило 6,0%.
При введении резиновой крошки «Унирем» в количестве 2%, содержание битума в смеси составило 5%, при введении резиновой крошки 4%, содержание битума в смеси составило 4%.
Рис. 1. Дифференциальная й Q и интегральная Q зависимости гранулометрического
состава резиновой крошки « Унирем»
-I-
Оптимальное содержание битума в асфальтобетонной смеси типа «Г» составило 6,7%. При введении резиновой крошки «Унирем» в количестве 2% по отношению к битуму содержание битума было 5,7%, а приведение «Унирем» в количестве 4 % содержание битума было 4,7%. Таким образом введение добавки «Унирем» снижает оптимальное содержание битума в смеси, что подтверждают данные представленные в [11].
Асфальтобетонные смеси с гранулометрией «Б» пригатавливались при температуре перемешивания 155±5°С; с гранулометрией типа «Г» - при 165±5°С. Продолжительность перемешивания смесей как без добавки, так и с добавкой «Унирем» при введении компонентов в смеситель по традиционной схеме I составляло 2 минуты. Предложенный режим перемешивания асфальтобетонных смесей без добавки осуществляли при последовательности введения компонентов по схеме II: щебень ^ песок ^ битум (перемешивание 15 с) ^ минеральный порошок (перемешивание 20с), а с добавкой «Унирем» - по схеме III: щебень ^ песок ^ битум (перемешивание 15с) ^ «Унирем» (перемешивание 20с) ^ минеральный порошок (перемешивание 20 с). Асфальтобетонные смеси, приготовленные по всем трем схемам, выдерживали в течении 30 минут при температуре перемешивания, а затем формовали образцы для испытаний по ГОСТ 12801 -98. Выдерживание смесей в течение 30 минут после приготовления позволяло примерно моделировать пребывание смесей при высоких температурах в процессе транспортирования их к месту укладки.
Таблица 4
Физико-механические свойства асфальтобетонов с резиновой крошкой « Унирем» в
зависимости от режимов приготовления.
Показатели Схема приготовления смеси Содержание вяжущего в смеси, %
битум 6,0 битум 5,0 «Унирем»2,0 битум 4,0 «Унирем»4,0 битум 6,7 битум 5,7 «Унирем»2,0 битум 4,7 «Унирем»4,0
гранулометрия «Б» гранулометрия «Г»
Предел прочности при сжатии, МПа, при 50°С I 1,0 1,3 1,6 1,7 1,5 1,9
II 1,2 - - 1,3 - -
III - 1,5 1,8 - 1,9 2,2
Предел прочности при сжатии, МПа, при 20°С I 2,9 3,1 3,4 3,2 3,6 3,9
II 3,2 - - 3,6 - -
III - 3,5 3,9 - 3,3 4,2
Предел прочности при сжатии, МПа, при 0°С I 12,1 12,9 13,8 13,1 14,2 16,0
II 12,2 - - 13,2 - -
III - 14,1 15,0 - 14,8 15,7
Водонасыщение, об. % I 3,6 3,4 3,1 3,1 2,9 2,7
II 2,8 - - 2,5 - -
III - 2,9 2,6 - 2,4 2,2
Водостойкость I 0,87 0,96 0,98 0,9 0,96 0,97
II 0,94 - - 0,97 - -
III - 0,9 0,98 - 0,99 1
Водостойкость при длительном водонасыщении I 0,78 0,9 0,92 0,8 ,97 0,99
II 0,88 - - 0,89 - -
III - 0,93 0,96 - 0,98 1,07
Представленные в таблице 3 результаты испытаний асфальтобетонов позволили установить, что приготовление асфальтобетонных смесей без добавки при последовательности введения компонентов в смеситель по схеме II: щебень ^ песок ^ битум ^ минеральный порошок позволяет значительно повысить показатели физико-механических свойств и сократить продолжительность перемешивания смеси.
А-
Аналогичный эффект наблюдается и при приготовлении асфальтобетонных смесей с
добавкой резиновой крошки «Унирем». Показатели свойств асфальтобетонов при приготовлении асфальтобетонных смесей с добавкой «Унирем» по технологии, описанной в [10], имеют гораздо лучшие показатели свойств по сравнению с обычными асфальтобетонами. Но значительные улучшения свойств асфальтобетонов с добавкой резиновой крошки «Унирем» достигается при приготовлении асфальтобетонных смесей по предложенной схеме введения компонентов в смеситель (по схеме III): щебень ^ песок ^ битум (перемешивание 15с) ^ «Унирем» (перемешивание 20с) ^ минеральный порошок (перемешивание 20с). При этом высокие показатели свойств асфальтобетона с добавкой «Унирем» достигаются при значительном снижении расхода добавки.
Библиографический список:
1. Макаров В.М., Дроздовский В.Ф. Использование амортизированных шин и отходов производства резиновых изделий. М.: Химия, 1986. 249с.
2. Humphrey, D.N., Eaton, R.A. Field Performance of Tire Chips as Subgrade Insulation for Rural Roads, Proceedings of the Sixth International Conference on Low-Volume Roads, Transportation Research Board, Washington D.C. 1995. Vol. 2. P. 77-86.
3. Humphrey, D.N., Eaton, R.A. Performance of Tire Chips as an Insulating Layer Beneath Gravel Surface Roads, Proceedings of the Fourth International Cymposium on Cold Region Development. Espoo. Finland. 1994. P. 125-126.
4. Donella H. Meadows, Dennis L. Meadows, Jorgen Randers. Beyond the Limits. Chelsea Green Publishing Company, White River Junction. Vermont. 1992. P. 92-101.
5. Guidance Manual. Shredded Tires as Alternative Daily Cover at Municipal Solid Waste Landfills. California. October.1997. P. 81-85.
6. Топилин В.М., Карминский В.Д. Использование изношенных шин и продуктов их переработки в народном хозяйстве. Ростов-на-Дону.: Издательство «Юг». 2001. 134 с.
7. Разгон Д.Р., Дроздовский В.Ф. Основные направления комплексной переработки изношенных шин.// Каучук и резина. 1986. №8. С. 35-38.
8. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия. 1990. 265 с.
9. Упругодеформационное измельчение термопластов. /Акопян Е.Л., Кармилов А.Ю.,Никольский В.Г., Хачатрян А.М., Ениколопян Н.С.// Доклады АН СССР.1986.Т. 291. №1.С.133-136.
10. Никольский В.Г. «Унирем» и другие модификаторы.//Автомобильные дороги. 2010.№4.С.34-36.
11. Лернер М.И. Материал композиционный на основе активного резинового порошка «УНИРЕМ». Рекомендации по применению. Подольск, Московской обл., «Уником». 2010. 6 с.
12. Печеный Б.Г., Данильян Е.А., Галдина В.Д. Влияние режимов приготовления асфальтобетонных смесей на свойства асфальтобетонов.// Строительные материалы. 2009. №11. С. 36-39
