CC BY
100
УДК 691.16
Сербин С.А., Кутукова Е.К., Костромина Н.В., Ивашкина В.Н., Осипчик В.С., Аристов В.М.
МОДИФИЦИРОВАННОЕ РЕЗИНО-БИТУМНОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Сербин Сергей Александрович, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс; Кутукова Елизавета Константиновна, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс; Костромина Наталья Васильевна, к.т.н., доцент, доцент кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: [email protected];
Ивашкина Вера Николаевна, ведущий инженер кафедры технологии переработки пластмасс; Осипчик Владимир Семёнович, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс; Аристов Виталий Михайлович, д. физ.-мат. н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
Статья посвящена разработке битумных связующих, модифицированных резиновой крошкой и полиолефинами на основе вторичного сырья, для покрытий автомобильных дорог. В качестве структурирующей добавки с целью повышения эксплуатационных свойств материалов вводился глицидилсодержащий олигоэфир. Разработанный состав битумного связующего по своим физико-механическим показателям и способу приготовления обеспечивает получение материала с повышенным температурным интервалом эксплуатации.
Ключевые слова: битум, резиновая крошка, модификация, вторичное сырьё, комплексный модификатор.
MODIFIED RUBBER-BITUMEN BINDER FOR ROAD PAVEMENT
Serbin S.A., Kutukova E.K., Kostromina N.V., Ivashkina V.N., Osipchik V.S., Aristov V.M. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article concerns the development of the bitumen binder for pavement of highways, modified by rubber crumb and the polyolefin-based recycled materials. As structuring additives with the aim of improving the performance of materials was introduced oligoether. The composition of the bitumen binder on physico-mechanical properties and method ofpreparation produces material with increased temperature range of operation.
Keywords: bitumen, crumb rubber, modification, secondary raw materials, complex modifier.
Долговечность дорожных, покрытий напрямую связана с качеством используемых материалов и, в первую очередь, битума, как основного компонента вяжущего. Для модификации битумных вяжущих с целью увеличения температуры размягчения, снижения температуры хрупкости, улучшения адгезии, морозо- и износостойкости, придания вяжущим эластичности, а, следовательно, способности к большим эластичным деформациям, в их состав вводят модификаторы различной природы: полимерные материалы или продукты переработки отходов производства и потребления.
Модифицирование битума полимерными добавками приводит к получению
полимернобитумных вяжущих, которые при деформации начинают работать как материал с некоторым внутренним армированием. В основном полимерные модификаторы являются
структурирующими добавками, распределяясь в дисперсной среде или создавая собственную структурную сетку в битуме. Полимерный каркас обеспечивает, с одной стороны, прочность, отсутствие текучести при повышении температуры и, с другой, - деформационные свойства при понижении температуры, расширяя диапазон работоспособности битумных материалов.
Применение полимернобитумных вяжущих позволяет увеличить межремонтные сроки эксплуатации дорожных покрытий с 3-4 до 7-10 лет, в том числе и за счёт повышенной устойчивости полимерного асфальтобетона против
колееобразования летом и трещин зимой. Таким образом, вследствие более длительной эксплуатации дорожного покрытия, полученного с использованием полимернобитумных вяжущих, можно через несколько лет окупить затраты использования более дорогих модифицированных связующих [1].
Полимернобитумные вяжущие могут быть приготовлены по одно- и двухстадийной схеме. Согласно двухстадийной схеме сначала готовится раствор полимера в пластификаторе (гудрон). Полимеры, использующиеся для этих целей -дивинилстирольный термоэластопласт (ДСТ), стирол-бутадиен-стирольный блоксополимер (СБС) и их аналоги в виде крошки или порошка (марки ДСТ-30-01 и ДСТ-30Р-01; Епргепе 701 и Епргепе 611 фирмы «Эн Чуан Кэмикэл», а также их зарубежные аналоги марок Финапрен 502 или Финапрен 411 фирмы «Петрофина», Кратон Д 1101, Кратон Д 1184, Кратон Д 1186 фирмы «Шелл», Европрен Сол Т-161 фирмы «Эникем», Калпрен 411 фирмы «Репсол»). Приготовленный раствор полимера подают в
ёмкость насосом, оборудованным перемешивающим устройством, и перемешивают. Температура битума при перемешивании 140-160 °С. Повышать температуру приготовления выше 160 °С, как поступают за рубежом, не рекомендуется, так как в России применяются окисленные битумы, которые интенсивно стареют при температурах выше 160 °С. За рубежом применяются остаточные битумы, которые выдерживают температуру до 180 °С [1].
Способ приготовления полимернобитумных вяжущих по двухстадийной схеме не нашел широкого применения из-за необходимости готовить и дозировать раствор полимера, что приводит к колебанию состава. Наиболее распространен одностадийный способ приготовления
полимернобитумных вяжущих, когда полимер с битумом смешивают сразу в специальном смесителе.
Использование полимернобитумных вяжущих на основе блоксополимеров типа СБС показало, что они не лишены серьезных недостатков. В частности, им свойственны относительно короткий срок жизни готового вяжущего и его расслоение в случае несоблюдения температурно-временного режима при транспортировке и хранении. Отклонение температуры всего на 1-2°С может создать серьезные проблемы при сливе полимернобитумных вяжущих и потребовать дополнительного подогрева. Еще одна проблема — нестабильность параметров полимернобитумных вяжущих от партии к партии. К факторам, сдерживающим применение
полимернобитумных вяжущих, следует отнести также необходимость использования дорогостоящих коллоидных мельниц. К тому же стоимость полимернобитумных вяжущих существенно превышает стоимость битума марки БНД, поэтому по экономическим причинам возможно использование только тех полимерных добавок, модифицирующий эффект от введения которых был бы значительным уже при малой концентрации добавки [2, 3].
В работе была использована другая схема модификации дорожных битумов — использование производственных отходов. Это способствует решению сразу двух задач:
- улучшению качества битумных вяжущих,
- улучшению экологической обстановки за счет утилизации отходов производства.
Среди вторичного сырья можно выделить:
- полиолефины (отходы плёнок и другие бытовые отходы),
- эластомеры (например, отходы и обрезки плёнок или пластин на основе термопластичного каучука),
- утилизируемые отходы мягких кровель и дорожных покрытий,
- изношенные автомобильные шины и другие резинотехнические изделия.
Проблема утилизации продуктов переработки автопокрышек приобрела в настоящее время особую актуальность во всем мире в связи с резким увеличением количества автомобилей. Вследствие
высокой стойкости к воздействию внешних факторов окружающей среды резинотехнические изделия и шины разрушаются чрезвычайно медленно. Окружающая среда подвергается длительному воздействию вредных выделений, в том числе канцерогенных и токсичных веществ, выделяющихся в воздух и мигрирующих в грунтовые воды. Места скопления таких отходов, особенно в регионах с жарким климатом, служат благоприятной средой обитания и размножения ряда грызунов и насекомых, являющихся разносчиками различных заболеваний. Кроме того, шины обладают высокой пожароопасностью, а продукты их неконтролируемого сжигания оказывают вредное влияние на окружающую среду (почву, водные ресурсы, воздух).
В работе для создания асфальтобетонных смесей и повышения качества дорожных битумов использовали модифицированную резиновую крошку, полученную из отработанных автомобильных покрышек, и вторичное полимерное сырье. Основным недостатком производства резиномодифицированных вяжущих является сложность технологии совмещения компонентов. Для улучшения совмещения резиновой крошки и битумного вяжущего в работе использовали глицидилсодержащие олигоэфиры и
полиолефиновый модификатор на основе вторичного сырья. Такая композиция характеризуется наличием значительного количества ненасыщенных связей, свойственных
резинополиолефиновым соединениям. За счет потенциала этих связей происходит активное взаимодействие модифицированной резиновой крошки со структурообразующими битумными частицами, главным образом асфальтенами ароматических соединений, с изменением коллоидной структуры вяжущего.
Приготовление асфальтобетонных смесей с использованием резиновой крошки может осуществляться двумя способами: «сухим» и «мокрым».
«Мокрый» способ осуществляется за счёт введения резиновой крошки (от 5 до 30 % масс.) в битум на стадии их смешения и девулканизации резины в битуме. Этот способ получил в США наибольшее распространение. Технологические параметры растворения резиновой крошки зависят от типа каучука, входящего в состав резины, вида пластификатора и поверхностно-активного вещества. Покрытия, полученные из асфальтобетонных смесей, в которых резиновый модификатор вводили мокрым способом, отличаются продолжительным сроком эксплуатации [4, 5].
«Сухой» способ более технологичен, он подразумевает использование резиновой крошки в качестве добавки к минеральному наполнителю. Количество вводимой резиновой крошки обычно составляет 1,5-3 % от массы минеральных материалов. Это наиболее простой и низкозатратный способ введения резиновой крошки в состав
битумного вяжущего. Резиновая крошка не подвергается деструкции, создает в асфальтобетоне развитую систему «центров эластичности», способствует улучшению его свойств. Для исключения возможности получения гетерогенных асфальтобетонных покрытий после укладки, когда резиновая крошка диффундирует к поверхности, необходимо использовать резиновую крошку диаметром менее 1 мм с развитой поверхностью для лучшего взаимодействия с битумом. Согласно применяемому в России стандарту к резиновому порошку добавляются целевые и функциональные добавки, способствующие повышению
совместимости и адгезионного взаимодействия с битумом. Вместе с тем, при использовании резиновой крошки в виде наполнителя асфальтобетона, «пыление» резиновой крошки вызывает негативную реакцию как у работников
Преимущества резиномодифицированных
битумных вяжущих:
- повышение пенетрации при 25 0С и 0 0С, характеризующей пластичность материала;
- улучшение смачивания резиновой крошки битумным вяжущем, что предотвращает возникновение различных дефектов в межфазных слоях;
- повышение температуры размягчения, что позволяет увеличить температурный интервал эксплуатации резиномодифицированных битумных вяжущих.
Использование гранулированного модификатора обеспечивает улучшение условий применения модификатора без изменения стандартной технологии и оборудования для производства асфальтобетонных смесей, в том числе используемого для ввода гранулированных материалов, а также условий обращения с модификатором при хранении и транспортировке, а также улучшение эксплуатационных характеристик асфальтобетонной смеси. Комплексный
модификатор является структурирующей добавкой, распределяясь в дисперсной среде и создавая собственную структурную сетку в битуме. Полимерный каркас обеспечивает, с одной стороны, прочность, отсутствие текучести при повышении температуры и, с другой, - повышенные деформационные свойства при понижении температуры, расширяя диапазон
работоспособности битумных материалов.
асфальтобетонных заводов, так и у укладчиков дорожных покрытий.
Авторами разработан комплексный
модификатор асфальтобетона для «сухого» способа - это система компонентов в виде гранул размером от 3 до 15 мм на основе мелкодисперсной резиновой крошки, вторичного полимерного сырья и активных технологических добавок, созданный для улучшения свойств асфальтобетонного покрытия (улучшение эксплуатационных характеристик, увеличения срока службы дорожного покрытия, снижения стоимости эксплуатации автомобильной дороги). Экструзией были получены гранулированные суперконцентраты на основе модифицированной резиновой крошки и вторичного сырья для асфальтобетонных смесей. Свойства битумных вяжущих приведены в таблице 1.
Список литературы
1. Гохман Л. М., Гурарий Е. М., Давыдова А. Р., Давыдова К. И. Полимерно-битумные вяжущие материалы на основе СБС для дорожного строительства. Обзорная информация. - М.: Информавтодор, 2002. - 112 с.
2. Осипчик В.С., Костромина Н.В., Олихова Ю.В., Ивашкина В.Н., Аристов В.М., Сербин С.А. Повышение эксплуатационных свойств резинонаполненных битумных вяжущих // Вестник Казанского технологического университета. - 2016.
- Т. 19. - № 8. - С. 50-53.
3. Костромина Н.В., Олихова Ю.В., Сербин С.А., Осипчик В.С., Аристов В.М. Утилизация резиновой крошки из отработанных автомобильных шин для модификации битумных вяжущих // Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды: сб. ст. VI Всерос. конф. с международным участием (Чебоксары: ЧГУ им. И.Н. Ульянова). - 2016. - С. 66-67.
4. Осипчик В.С., Костромина Н.В., Олихова Ю.В., Сербин С.А., Ивашкина В.Н., Аристов В.М. Резинонаполненный дорожный битумный материал с улучшенными эксплуатационными свойствами // Вестник Казанского технологического университета.
- 2016. - Т. 19. - № 22. - С. 57-60.
5. Костромина Н.В., Сербин С.А., Сабинин В.А., Сабинин В.А. Исследование процессов старения резинонаполненных битумных вяжущих // Успехи в химии и химической технологии. - 2016. -Т. 30. - № 10 (179). - С. 40-42.
Таблица 1. Свойства битумных вяжущих на основе битума нефтяного дорожной) марки БНД 60/90
Наименование показателя, единица измерения Исходный битум Резинонаполненный битум + комплексный модификатор
Глубина проникания иглы при 25 оС, 0,1 мм при 0 оС, 0,1 мм 60 20 63 30
Температура размягчения по кольцу и шару (КИШ), оС 47 72
Изменение температуры размягчения после прогрева Т = 163 °С в течение 5 ч, оС 5 4
