CC BY
5DOI 10.53980/24131997_2024_4_84
С.А. Иванов, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово
УДК 691.162
РЕЗИНОАСФАЛЬТОБЕТОН НА ОСНОВЕ ПРОДУКТА УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Асфальтобетонные смеси и, как следствие, асфальтобетон применяются чаще всего для устройства верхних слоев основания и слоев покрытия при строительстве автомобильных дорог. Постоянно возрастающие осевые нагрузки и увеличенная интенсивность движения требуют рассмотрения новых материалов для увеличения межремонтных сроков службы автомобильных дорог. Постоянно растущие объемы автомобильного транспорта и, как следствие, увеличение объемов автомобильных покрышек требует поиска новых путей их утилизации, поскольку их накопление влечет к увеличению загрязняющих веществ.
В данной статье рассматривается возможность применения асфальтобетонных смесей на основе модифицированного битума резиновой крошкой, полученной путем переработки изношенных автомобильных шин и других резинотехнических изделий. Приведены характеристики используемых материалов, составляющих асфальтобетонную смесь, а также опыт эксплуатации асфальтобетонных покрытий на основе резиновой крошки.
Ключевые слова: резиновая крошка, резиноасфальтобетон, битум, вяжущее, долговечность.
S.A. Ivanov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo
RUBBER-ASPHALT CONCRETE BASED ON RECYCLED INDUSTRIAL WASTE
In world practice, asphalt concrete mixtures are most widely used for the construction of road surfaces. Constantly increasing axle loads and increased traffic intensity require the consideration of new materials to prolong the service life ofpublic roads between repairs. Constantly growing number of road transport and consequently car tires number require new ways of their disposal, since their accumulation leads to increasing environment pollution.
This article discusses possibility of using asphalt concrete mixtures based on modified bitumen with crumb rubber obtained by processing worn-out car tires and other rubber products. It gives characteristics of the materials making up the asphalt concrete mixture, as well as operational experience with asphalt concrete pavements based on crumb rubber.
Key words: crumb rubber, rubber- asphalt concrete, bitumen, binder, durability.
Введение
Асфальтобетонные смеси стали неотъемлемой частью современного дорожного строительства. Их популярность объясняется множеством факторов, таких как ремонтопригодность, долговечность, относительная экономичность, простота укладки и т. д. Асфальтобетонные покрытия также обладают высокой скоростью укладки. Это позволяет значительно сократить время на строительство и ремонт дорог, что, в свою очередь, минимизирует неудобства для водителей и пешеходов. Легкость ремонта - еще одно важное преимущество: в случае повреждений такие покрытия можно быстро восстановить, что снижает затраты на содержание дорог.
Совершенствованию асфальтобетонных покрытий посвящены работы многих авторов и исследовательских групп. В их исследованиях рассматриваются различные аспекты, такие
как состав смесей, технологии укладки, методы контроля качества и долговечности. Эти научные разработки направлены на улучшение эксплуатационных характеристик асфальтобетонных покрытий и их адаптацию к различным условиям эксплуатации [1-11].
Помимо прочего, распространенные асфальтобетонные покрытия автомобильных дорог имеют ряд недостатков. Основные недостатки сводятся к следующему: высокая вероятность образования трещин (в том числе и отраженных), ограничение пропускной способности высоких осевых нагрузок в летний период, низкая сопротивляемость статических деформациям, требовательность к исходным компонентам асфальтобетонных смесей.
Покрытия, устроенные из монолитного цементобетона, могут устранить недостатки применительно к асфальтобетонным смесям. Однако они имеют другие отличительные особенности, такие как: высокая стоимость, низкая ремонтопригодность, длительные перерывы для набора прочности бетона, низкое удобство движения, проявляющееся в необходимости создания деформационных швов (расширения-сжатия, коробления, технологических швов и пр.).
Наиболее распространенные периоды расчетного срока службы нежестких дорожных одежд длятся 10-15 лет [12-14], однако реальный период из-за постоянно возрастающих осевых нагрузок и интенсивности движения грузового транспорта составляет 5-7 лет. Это явление вызывает серьезную озабоченность, так как не только сокращает срок эксплуатации дорог, но и приводит к увеличению затрат на их реконструкцию и ремонт, а также к снижению безопасности движения.
Причины преждевременного износа асфальтобетонных покрытий многообразны. В первую очередь следует отметить неблагоприятные климатические условия, характерные для многих регионов России. Чередование заморозков и оттаиваний, сильные осадки, изменение температур и интенсивные солнечные лучи оказывают разрушительное воздействие на асфальтобетон, способствуя его растрескиванию, выветриванию и деформации.
От долговечности асфальтобетонных покрытий также зависит сокращение затрат на их ремонт и реконструкцию. Частые работы по восстановлению дорожного полотна требуют значительных финансовых ресурсов, а также временных затрат, что негативно сказывается на транспортных потоках. Поэтому разработка новых технологий и материалов, которые могут увеличить срок службы дорожных покрытий, становится актуальной задачей для дорожных служб и исследовательских организаций.
Федеральное дорожное агентство России разработало и внедрило документацию по внедрению инновационных асфальтобетонных смесей по системе Superpave. Важным элементом этой системы является выбор битумного вяжущего, которое должно соответствовать заданным параметрам.
Для Кузбасса, например, согласно требованиям системы Superpave, интервал пластичности битумного вяжущего должен находиться в пределах 105-110 °С. Это значение гораздо выше, чем у большинства битумов марки БНД 70/100, которые производятся в России и имеют интервал пластичности в диапазоне 65-70 °С. Такие различия подчеркивают необходимость модификации существующих битумов, чтобы соответствовать новым требованиям, иначе внедрение системы Superpave окажется неэффективным.
Внедрение системы Superpave также может способствовать развитию отечественной науки и технологий в области дорожного строительства. Это создаст новые рабочие места и даст толчок для исследований в области материаловедения. Таким образом, переход на более современные технологии проектирования асфальтобетонных смесей не только улучшит качество дорог, но и окажет положительное влияние на экономику страны. Важно, чтобы все заинтересованные стороны, включая государственные органы, научные учреждения и производственные компании, активно сотрудничали для успешного внедрения этой системы.
В целях реализации требований ТР ТС 014/2011 решением Коллегии Евразийской экономической комиссии от 12.09.2012 № 159 утверждены Перечень стандартов, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований ТР ТС 014/2011, и Перечень стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и
85
измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения требований ТР ТС 014/2011 и осуществления оценки (подтверждения) соответствия продукции.
В связи с окончанием переходного периода, установленного решением Комиссии Таможенного союза от 18.10.2011 № 827, с 01.09.2016 не допускается применение дорожно-строительных материалов и изделий, не соответствующих требованиям ТР ТС 014/2011. Учитывая изложенное, Росавтодор информирует, что в настоящее время в Российской Федерации действуют только две системы проектирования асфальтобетонных смесей, гармонизированные с межгосударственными стандартами, включенными в Перечни стандартов, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований ТР ТС 014/2011, а именно:
- комплекс национальных стандартов серии 58406 (ГОСТ Р 58406.1-2020 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси щебеночно-мастичные асфальтобетонные и асфальтобетон. Технические условия», ГОСТ Р 58406.2-2020 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси горячие асфальтобетонные и асфальтобетон. Технические условия» и т. д.);
- комплекс национальных стандартов серии 58401 (ГОСТ Р 58401.1-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон. Система объемно-функционального проектирования. Технические требования», ГОСТ Р 58401.2-2019 «Дороги автомобильные общего пользования. Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Система объемно-функционального проектирования. Технические требования» и т. д.).
Кроме того, в соответствии с Приказом Росстандарта от 24.03.2015 № 157-ст применение ГОСТ 9128-2009 на территории Российской Федерации восстановлено с 31.03.2015, а решение о применении ГОСТ 9128 устанавливается в государственных контрактах (договорах), в иных случаях решение принимается самостоятельно заинтересованными организациями.
Помимо прочего, СП 82.13330.2016 «Благоустройство территорий» нормирует использование ГОСТ 9128-2013 для применения при строительстве, ремонте, капитальном ремонте как дворовых территорий, так и для площадок благоустройства.
Таким образом, при выполнении работ по проектированию, строительству, реконструкции, при капитальном ремонте, ремонте и содержании автомобильных дорог и искусственных дорожных сооружений на них, в том числе при формировании соответствующих технических заданий, в части применения асфальтобетонных смесей следует руководствоваться требованиями вышеуказанных комплексов национальных стандартов, соответствующих межгосударственным стандартам, включенными в Перечни стандартов, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований ТР ТС 014/2011.
Для успешного внедрения полимерасфальтобетонов и применения системы проектирования асфальтобетонных смесей Superpave необходимо улучшение асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог, чего невозможно достичь без повышения качества битумных вяжущих материалов через их модификацию. Современные технологии утилизации автомобильных шин играют важную роль в этом процессе, так как шины представляют собой значительный источник вторичных материалов, которые могут быть использованы в строительстве и дорожном ремонте.
Существует несколько технологий утилизации [15, 16].
1. Сжигание шин. Этот способ используется для получения энергии, однако он имеет свои недостатки. Пиролиз в условиях низких температур позволяет получить легкий дистиллят и твердое топливо, схожее по свойствам с древесным углем. Тем не менее сжигание изношенных шин не является экологически чистым и энергетически эффективным методом. Для производства одной покрышки требуется энергия, эквивалентная сжиганию 8 л нефти, что делает этот способ нецелесообразным с точки зрения энергетической эффективности. В связи с этим акцент следует делать на нетермических методах вторичного использования.
2. Переработка в резиновую крошку и порошки. Этот метод позволяет получить высококачественные материалы для создания полимерных смесей и строительных материалов. Резиновая крошка может использоваться для улучшения свойств асфальтобетонных смесей, таких как прочность и устойчивость к деформациям, что делает дороги более долговечными.
3. Получение регенерата. Этот процесс включает переработку шин в регенерированную резину, которая может использоваться для производства травмобезопасных покрытий детских и спортивных площадок, а также модифицирования битумных вяжущих [17, 18, 24, 25].
Применение резинированных асфальтобетонов в слоях дорожных покрытий имеет множество значительных преимуществ, которые способствуют увеличению межремонтных сроков и общей долговечности дорожной инфраструктуры.
1. Устойчивость к трещинообразованию.
Модифицированные резиновой крошкой битумы обладают высокой деформативно-стью и эластичностью. Это позволяет им лучше противостоять температурным колебаниям, усталостным нагрузкам и отраженному трещинообразованию. В результате дорожные покрытия становятся более устойчивыми к повреждениям, что значительно увеличивает срок их службы.
2. Сопротивление окислительному старению.
Одним из ключевых факторов, способствующих долговечности покрытий, является наличие антиоксидантов в шинной резине, используемой для модификации битума. Эти анти-оксиданты помогают предотвратить окисление, что, в свою очередь, уменьшает риск разрушения покрытия под воздействием окружающей среды.
3. Сопротивление колееобразованию.
Высокая вязкость битума, модифицированного резиновой крошкой, при повышенных температурах способствует снижению колееобразования. Это особенно важно для дорог с интенсивным движением, где такое явление может привести к ухудшению условий эксплуатации и безопасности.
4. Снижение уровня шума.
Использование резины в асфальтобетонах также позволяет снизить уровень шума, создаваемого автомобилями на дороге. Это достигается за счет улучшения структуры покрытия, что приводит к более мягкому и тихому движению транспортных средств.
5. Экологические преимущества.
В последние десятилетия в России и мире наблюдается активное внедрение инновационных технологий в дорожное строительство. Одной из таких технологий является использование резиновой крошки для модификации асфальтобетонов. Это направление не только способствует улучшению качества дорожного покрытия, но и решает проблемы утилизации отходов резинотехнической продукции.
В Российской Федерации также проводятся работы по модифицированию битума нефтяного различными отходами резинотехнической промышленности. Наибольшее распространение получили работы, выполнимые «БИТРЭК», «УНИРЕМ» и «ЭРАКРИН» [19, 20].
В мировой практике выделяются две основные технологии модификации битумов резиновой крошкой:
1. Метод Asphalt Rubber. Этот метод предполагает использование относительно низких температур (160-200 °C) в процессе смешивания [21-23]. Он не требует специального оборудования, что делает его доступным для широкого применения. Однако, несмотря на простоту, данный метод имеет свои ограничения, связанные с долговечностью получаемого покрытия.
2. Метод Terminal Blended. В отличие от первого этот метод использует повышенные температуры (200-260 °C) и специальное смесительное оборудование. Это позволяет достичь более качественного взаимодействия между битумом и резиновой крошкой, тем самым улучшая характеристики асфальтобетонной смеси.
Существует два основных способа введения резиновых отходов в битумное вяжущее.
Сухой способ. В этом случае резиновая крошка вводится непосредственно в асфальтобетонную смесь. Этот метод является наиболее простым и дешевым, однако он имеет серьезные недостатки. Отмечается, что резиновая крошка, введенная подобным образом, с течением времени увеличивается в объеме (происходит ее набухание), что ведет к разрушению минеральной части асфальтобетонного покрытия.
Мокрый способ. Этот метод включает добавление резиновой крошки в битум, что позволяет достичь более эффективного взаимодействия компонентов. В процессе применения мокрого способа резина разлагается и девулканизируется, что способствует улучшению свойств асфальтобетонной смеси. Однако для этого требуется использование специальных пластификаторов и дополнительного оборудования, что увеличивает затраты на производство.
Использование резиновой крошки для модификации асфальтобетонов представляет собой перспективное направление, способствующее улучшению качества дорожных покрытий и решению экологических проблем.
В связи с этим целью работы является изучение процесса модификации битума резиновой крошкой при температурах, превышающих предельные для старения органического вяжущего, путем разделения процесса получения модификатора на две стадии. На первой стадии - получение концентрированной суспензии резинобитумного композита, а затем - получение резинированных асфальтобетонных смесей на его основе.
Материалы и методы исследования
Из-за постоянно возрастающих транспортных нагрузок и повышения интенсивности движения была введена система объемно-функционального проектирования дорожных одежд. Данная техника включает в себя индивидуальный подбор вяжущих под каждую асфальтобетонную для конкретной дорожно-климатической зоны.
Достичь высоких физико-механических показателей с использованием чистого битума стало невозможно. Необходимы методы по повышению его характеристик. В данной работе модифицирование битума резиновой крошкой выполнено путем применения двухстадийного технологического процесса производства, разработанного автором статьи. Суть метода заключается в получении на первой стадии резинобитумного композита (суспензии), а на второй -битумного вяжущего. Отличие данного метода от других заключается в минимизировании исходных компонентов и, как следствие, снижении себестоимости, а также снижении этапов по старению органического вяжущего. Патент № RU 2016118144 по данному методу получен 13.11.2017.
В итоговом варианте битум, модифицированный резиновой крошкой, состоит из битума марки БНД 70/100, масла-пластификатора ПН-6Ш и резиновой крошки, полученной путем переработки изношенных автомобильных шин.
Отличительной особенностью модифицирования битума резиновой крошкой является тот факт, что основной модификатор (резиновая крошка) является продуктом отходов промышленности. Ведь постоянно возрастающая нагрузка на экологическую обстановку Кузбасса увеличивается пропорционально вышедшим из строя покрышкам от крупнотоннажного транспорта, занятого на добыче каменного угля. Кроме того, появление новых заводов обеспечивает необходимыми производственными мощностями сырьевую базу по производству битума, модифицированного резиновой крошкой.
Стоит отметить, что модифицированное органическое вяжущее само по себе не является продуктом, который может заинтересовать потребителя, который, в свою очередь, сможет в достаточном количестве утилизировать произведенную резиновую крошку. Поскольку не важно, в каком виде будет храниться резина (в виде изношенных шин или измельченной мелкодисперсной крошки), она одинаково будет влиять на экологическую обстановку, разлагаясь под действием погодно-климатических факторов.
Основной материал, который может утилизировать большую часть отходов резинотехнической промышленности - автомобильные дороги. В асфальтобетонных смесях, состоящих из щебня, песка и минерального порошка, находится от 4 до 6 % органического вяжущего, являющегося связующим звеном всей минеральной части асфальтобетона. От связующего материала зависят значимые физико-механические характеристики, адгезионное и когезионное сцепление составляющих минеральных материалов и, как следствие, прочный каркас всей конструкции.
Рассматриваемый модификатор битума в виде резинового порошка, имеет ряд преимуществ перед другими средствами улучшения физико-механических/химических свойств органического вяжущего:
- во-первых, большая эластичность по отношению к исходному битуму;
- во-вторых, увеличение высоко- и низкотемпературных свойств вяжущего, а как следствие увеличение интервала пластичности;
- в-третьих, стойкость к пластическим деформациям от высоких осевых нагрузок;
- в-четвертых, на фоне улучшения свойств вяжущего немаловажным фактором будет является улучшение экологической обстановки каждого субъекта РФ путем утилизирования продукта отходов промышленности.
В данной работе рассмотрен инновационный подход к оптимизации по улучшению физико-механических свойств самого вяжущего и асфальтобетона на его основе, а также снижение стоимостных затрат относительно других технологий, требующих более сложных составляющих компонентов и сложного метода его производства.
В качестве вяжущего был принят битум БНД 70/100 по ГОСТ 33133-2014 [13] производства Омского НПЗ.
В качестве масла-пластификатора применяется масло ПН-6Ш. Одним из ключевых преимуществ ПН-6Ш является его термическая устойчивость. Это свойство позволяет ему сохранять свои характеристики при высоких температурах, что критически важно в условиях эксплуатации шин, где температура может значительно повышаться. Кроме того, по воздействию на организм человека это вещество классифицируется как малоопасное. Это делает его более безопасным в использовании по сравнению с другими химическими веществами, которые могут вызывать аллергические реакции или иметь токсичный эффект.
Минеральное масло ПН-6Ш также отличается отсутствием резкого неприятного запаха, что является дополнительным преимуществом при его использовании в производственных условиях. Это делает процесс работы с ним более комфортным для работников, что важно с точки зрения охраны труда и здоровья.
Резиновая крошка, универсальный продукт отходов промышленности получаемый, главным образом, из изношенных автомобильных шин и отходов резинотехнической промышленности. Постоянно увеличивающееся количество автомобильного транспорта и повышение объемов угледобычи (износ крупнотоннажных покрышек) влечет за собой поиск путей утилизации подобного рода отходов, которые значительно влияют на экологическую обстановку не только регионов Российской Федерации, но и мира в целом.
В настоящее время по всей стране функционирует около 30 заводов по переработке автомобильных шин, вышедших из эксплуатации. Размер выпускаемого материала варьируется от 0,1 до 5 мм. Фракции подобного типа используются в различных отраслях промышленности. Например, фракция от 0,1 до 1 мм используется для модифицирования органических вяжущих, 1 -3 мм - для устройства монолитных слоев верхнего слоя покрытий детских и спортивных площадок, а также для производства рулонных покрытий 3-5 мм - применяется для производства травмобезопасных плит.
В данной работе рассматривалось применение резины Новокузнецкого завода по переработке изношенных автомобильных шин фракции 0-1 мм, полученной главным образом из изношенных шин машин и механизмов горнодобывающих мероприятий. Резиновая крошка соответствует требованиям ГОСТ Р 55419-2013.
В качестве минерального материала был принят щебень изверженной горной породы фракции 5-20 мм.
Для получения асфальтового вяжущего асфальтобетонной смеси использовался минеральный порошок ОАО «Кемеровоспецстрой» марки МП-1.
Принятый минеральный порошок по зерновому составу и физическим свойствам соответствует требованиям ГОСТ Р 52129-2003 и может использоваться для получения горячего мелкозернистого плотного асфальтобетона типа А марки I.
Результаты исследования
В процессе подбора состава асфальтобетонной смеси был выбран метод, предложенный профессором Н.Н. Ивановым, основывающийся на предельных кривых плотных смесей, разработанных в институте СоюздорНИИ. Этот метод стал наиболее популярным и широко применяемым в практике, что обусловлено его эффективностью и надежностью. Модифицированные битумы, в частности те, которые содержат резиновую крошку, находят свое применение в основном при создании верхних слоев дорожных покрытий. Это связано с их улучшенными эксплуатационными характеристиками, такими как стойкость к деформациям и тре-щинообразованию, что особенно актуально для регионов с агрессивными климатическими условиями.
Для того чтобы адекватно оценить эффективность асфальтобетонной смеси на основе битума, модифицированного резиновой крошкой при двухстадийном технологическом процессе, было принято решение подобрать состав асфальтобетонной смеси типа Б марки II. Этот этап являлся критически важным, так как правильный выбор зернового состава напрямую влиял на прочностные характеристики и долговечность асфальтобетонного покрытия.
Также стоит отметить, что выбор компонентов для асфальтобетонной смеси не ограничивался только их физико-механическими свойствами. Важным аспектом являлась также экологическая безопасность используемых материалов. Например, применение модифицированных битумов с добавлением резиновой крошки не только улучшало эксплуатационные характеристики покрытия, но и способствовало утилизации отходов резинотехнической продукции, что являлось актуальной задачей в условиях современного экологического кризиса.
Таким образом, процесс подбора состава асфальтобетонной смеси представлял собой комплексный и многогранный процесс, который требовал внимательного подхода к выбору материалов и технологий. Это позволило не только достичь высоких эксплуатационных характеристик дорожных покрытий, но и обеспечило их долговечность и устойчивость к внешним воздействиям, что особенно важно для регионов с суровыми климатическими условиями, таких как Кемеровская область.
Результаты выполненного подбора зернового состава минеральной части асфальтобетонной смеси представлены в таблице 1 и на рисунке.
Учитывая, что в горячем плотном мелкозернистом асфальтобетоне типа Б ориентировочное содержание битума составляло от 4,0 до 5,0 %, было принято решение приготовить три партии асфальтобетона с содержанием модифицированного резиновой крошкой битума в количестве 4,0, 4,5 и 5,0 % сверх 100 % минеральной части. Физико-механические свойства асфальтобетона приведены в таблице 2.
Таблица 1
Подобранный зерновой состав асфальтобетона
Наименование материала Количество материала, % Частные (полные) остатки (полные проходы) на ситах, %, имеющих размер ячеек, мм
20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071
Щебень фр. 5-20 52 4,42 17,03 14,91 13,54 2,10 - - - - -
Песок из отсевов дробления 43 - - - 1,29 12,47 7,98 8,3 4,9 3,4 2,1
Минеральный порошок 5 - - - - - - - 0,08 0,64 0,74
Минеральная часть асфальтобетонной смеси полные остатки, % 4,42 21,45 36,36 51,19 65,76 73,74 82,05 86,99 91,07 93,92
полные проходы, % 95,58 78,55 63,64 48,81 34,24 26,26 19,75 13,01 8,93 6,08
^ 100,00
О4 '
| 90,00 Ц 80,00 я 70,00 1 60,00 с 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
Рисунок - Кривая распределения зернового состава подобранного асфальтобетона: ^^^^^ 1 - нижняя допустимая граница зернового состава;
2 - верхняя допустимая граница зернового состава;
3 - принятый зерновой состав
Таблица 2
Зависимость физико-механических свойств асфальтобетона от содержания битума, модифицированного резиновой крошкой
Наименование показателя Требования для III дорожно-климатической зоны Содержание битума, модифицированного резиновой крошкой, %
4,0 4,5 5,0
1 2 3 4 5
Средняя плотность, г/см3 не нормируется 2,50 2,50 2,50
Водонасыщение, % по объему, образцов, отформованных из смесей 1,5-3,5 1,85 1,68 1,09
Предел прочности при сжатии, при температуре 0 °С, МПа не более 9,0 7,80 8,70 7,0
Предел прочности при сжатии, при температуре 20 °С, МПа не менее 2,0 3,78 4,26 3,21
Предел прочности при сжатии, при температуре 50 °С, МПа не менее 0,9 1,35 1,63 1,34
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения не менее 0,87 0,96 0,96 0,93
Сдвигоустойчивость по сцеплению при температуре 50 °С, МПа не менее 0,20 0,43 0,44 0,42
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С и скорости деформирования 50 мм/мин, МПа 2,8-6,0 3,34 4,50 3,60
Водостойкость не менее 0,90 1,00 0,99 0,98
Водостойкость при длительном во-донасыщении не менее 0,85 0,90 0,82 0,81
Анализ полученных данных показал, что оптимальное содержание битума, модифицированного резиновой крошкой при двухстадийном технологическом процессе, составляет 4,0 %. Для сопоставления физико-механических свойств асфальтобетонов подобранного состава были приготовлены четыре партии на следующих вяжущих:
- битум марки БНД 70/100 в количестве 4,6 % сверх 100 % минеральной части;
- битум марки БНД 60/90 в количестве 4,6 % сверх 100 % минеральной части, модифицированный адгезионной присадкой StarflexLD, в количестве 4,0 % от массы;
- полимерно-битумное вяжущее марки ПБВ 90 в количестве 4,0 % сверх 100 % минеральной части;
- битум, модифицированный резиновой крошкой при двухстадийном технологическом процессе, в количестве 4,5 % сверх 100 % минеральной части.
Физико-механические свойства асфальтобетонов на различных вяжущих приведены в таблице 3.
Таблица 3
Физико-механические свойства асфальтобетонов на различных вяжущих
Наименование показателя Требования для III дорожно-климатической зоны Значение показателей для асфальтобетона, полученного на основе:
БНД БНД+ ПАВ ПБВ РБВ
Средняя плотность, г/см3 не нормируется 2,43 2,44 2,43 2,50
Водонасыщение, % по объему, образцов, отформованных из смесей 1,5-3,5 2,35 0,84 3,20 1,95
Предел прочности при сжатии при температуре 0 °С, МПа не более 9,0 8,20 8,30 7,60 7,85
Предел прочности при сжатии при температуре 20 °С, МПа не менее 2,0 3,70 3,40 3,25 3,60
Предел прочности при сжатии при температуре 50 °С, МПа не менее 0,9 1,65 1,43 1,26 1,35
Сдвигоустойчивость по коэффициенту внутреннего трения не менее 0,87 0,97 0,96 0,95 0,96
Сдвигоустойчивость по сцеплению при температуре 50 °С, МПа не менее 0,20 0,35 0,34 0,33 0,41
Трещиностойкость по пределу прочности на растяжение при расколе при температуре 0 °С и скорости деформирования 50 мм/мин, МПа 2,8-6,0 3,70 4,30 2,55 3,40
Водостойкость не менее 0,90 0,78 0,92 0,91 1,00
Водостойкость при длительном водонасыщении не менее 0,85 0,76 0,84 0,72 0,90
Водостойкость при водонасыщении в течение 30 сут не норм. 0,73 0,79 0,62 0,87
При использовании двухстадийного технологического процесса резиновая крошка способствует улучшению распределения битума в смеси, что позволяет добиться более однородной структуры и, следовательно, более высоких эксплуатационных характеристик.
Одним из значительных преимуществ асфальтобетона, модифицированного резиновой крошкой, является его высокая сдвигоустойчивость. Исследования показывают, что сцепление при сдвиге у данного типа асфальтобетона на 0,03-0,07 МПа выше, чем у других смесей. Это свидетельствует о том, что более теплостойкое вяжущее, использующееся в такой смеси, обеспечивает повышенное сопротивление сдвиговым нагрузкам. В результате дорожные покрытия, выполненные из такого асфальтобетона, будут менее подвержены колееобразованию, что особенно актуально для участков с интенсивным движением.
Заключение
С каждым годом резиновой крошки будет образовываться больше в связи с увеличивающимся потоком автотранспорта и его доступностью. Помимо прочего, покрышки, произведенные из частично натуральных каучуков (используется для производства покрышек для транспорта с высокими осевыми нагрузками), благоприятным образом влияют на физико-механические свойства вяжущих, используемых для получения асфальтобетонных смесей.
Применение резиновой крошки в модифицировании органических вяжущих приносит ряд преимуществ.
Во-первых, увеличивается долговечность асфальтобетонных смесей и асфальтобетонов соответственно из-за повышения эластичности, прочностных свойств, а также повышенного интервала пластичности вяжущего.
Во-вторых, модификация по двухстадийному процессу влечет за собой минимизацию составляющих компонентов по отношению к конкурентным составам и, как следствие, снижение конечной стоимости продукта.
В-третьих, решается глобальная экологическая проблема по складированию и загрязнению окружающих территорий путем выделения вредных веществ в атмосферу и почву, поскольку составы, которые используются для производства автомобильных шин, являются достаточно токсичными для окружающих.
Итак, подобная технология и методы утилизации этого отхода положительно скажутся на развитии каждого субъекта Российской Федерации.
Библиография
1. Вольфсон С.И. Разработка полимерных добавок для модификации дорожного битума. Сообщение 2. Использование модифицированного дорожного битума в асфальтобетонах и щебеночно-ма-стичных асфальтобетонах // Вестник технологического университета. - 2016. - № 17. - С. 37-40.
2. Вольфсон С.И. Модификация битумов, как способ повышения их эксплуатационных свойств // Вестник технологического университета. - 2016. - № 17. - С. 29-33.
3. Аюпов Д.А. Старение битум-полимерных вяжущих // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16, № 15. - С. 126-129.
4. Аюпов Д.А., Мурафа А.В., Макаров Д.Б. и др. Наномодифицированные битумные вяжущие для асфальтобетона // Жилищное строительство. - 2010. - № 10. - С. 34-35.
5. Аюпов Д.А., Потапова Л.И., Мурафа А.В. и др. Исследование взаимодействия битумов с полимерами // Строительные материалы. - 2011. - № 1. - С. 140.
6. Минхаирова А.И., ЗакироваЛ.Ю., Вольфсон И.С. и др. Модификация дорожных битумов сме-севыми термоэластопластами // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15, № 17. - С. 120-122.
7.Мурафа А.В, АюповД.А., Хозин В.Г. Битумно-резиновые вяжущие строительного назначения: учеб. пособие / М-во образования и науки Российской Федерации, Казанский гос. архитектурно-строит. ун-т. - Казань, 2012.
8. Пузакова Е.В., Закирова Л.Ю., Вольфсон И.С. и др. Влияние состава термоэластопластов на свойства модифицированных битумов // Вестник Казанского технологич. ун-та. - 2013. - Т. 16, № 1. -С.120-121.
9. Makarov D., Ayupov D., Murafa A. et al. Compatibility studies of mixed thermoplastic rubber with road bitumen // Open Civil Engineering Journal. - 2014. - Vol. 8, № 1. - С. 124-129.
10. Ayupov D., Makarov D., Murafa A. et al. Modular mobility investigation of polymer binder bitumen // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Advanced Materials in Construction and Engineering. Сер. "International Scientific Conference of Young Scientists: Advanced Materials in Construction and Engineering, TSUAB 2014". - 2015. - P. 012003.
11. Макаров Д.Б., Ягунд Э.М., Аюпов Д.А. и др. Изучение битумно-полимерных вяжущих, модифицированных смесевыми термоэластопластами, методом ИК-спектроскопии // Известия Казанского гос. архитектурю-строит. ун-та. - 2015. - N 4. - С. 280-286.
12. Вяжущие и резиноасфальтобетоны БИТРЕК. Опыт применения // ООО НПГ «ИНФОТЕХ».
- М., 2014. - 20 с.
13. ГОСТ 33133-2014. Дороги автомобильные общего пользования БИТУМЫ НЕФТЯНЫЕ ДОРОЖНЫЕ ВЯЗКИЕ [Текст] // Стандартинформ. - М., 2014.
14. Андриади Ю.Г. Комплексно модифицированное полимерно-битумное вяжущее для верхних слоев асфальтобетонных покрытий: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. - Ростов-н/Д., 1999. - 156 с.
15. Бегункова Н.И. Исследование применения отходов производства полимеров в качестве улучшающих добавок в асфальтобетоне // Тр. Гос. всесоюз. дор. НИИ. - 1977. - Вып. 99. - С. 102-109.
16. Аюпов Д.А. Наномодифицированные битумные вяжущие для асфальтобетона // Строительные материалы. - 2010. - № 10. - С. 34-36.
17. Аюпов Д.А., Потапова Л.И., Мурафа А.В. и др. Современные способы регенерации резин и возможности использования их в строительной отрасли // Строительные материалы. - 2011. - № 5. -С. 260.
18. Дьяков К.А., Черсков Р.М., Зинченко Е.В. Эффект эластичных покрытий // Автомобильные дороги. - 2012. - № 2. - С. 112-114.
19. Никольский В.Г. «Унирем» и другие модификаторы // Автомобильные дороги. - 2010. - № 3.
- С. 28-29.
20. Битумнорезиновые экологически чистые композиционные материалы БИТРЭК [Электронный ресурс] // bitrack.ru - Режим доступа: http://www.bitrack.ru. - Загл. с экрана.
21. Abdulwarith B., Norhidayah H., Hanif M. et al. Effects of mixture design variables on rubber-bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture // Materials and Structures. - 2016. -P. 97-103.
22. MullM. A., StuartK., Yehia A. Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement // Journal of Materials Science. - 2002. - Vol. 37. - P. 557-566.
23. Kim H., Lee S., Amirkhanian S. Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2010. - Vol. 14. - P. 839-843.
24. Урханова Л.А., Шестаков Н.И., Буянтуев С.Л. и др. Использование углеродных наномате-риалов для получения эффективного дорожно-строительного композита // Вестник ВСГУТУ. - 2014.
- № 6 (51). - С. 67-72.
25. Урханова Л.А., Шалбуев Д.В., Рудаков Е.О. Повышение дефформативно-прочностных характеристик щебеночно-мастичного асфальтобетона на основе битума, модифицированного коллоидной добавкой // Вестник ВСГУТУ. - 2014. - № 2 (81). - С. 75-81.
Bibliography
1. Wolfson S.I. Development of polymer additives for modifying road bitumen. Message 2. Use of modified road bitumen in asphalt concrete and crushed stone-mastic asphalt concrete // Bulletin of the Technological University. - 2016. - N 17. - P. 37-40.
2. Volfson S.I. Modification of bitumen as a way to improve their performance properties // Bulletin of the Technological University. - 2016. - N 17. - P. 29-33.
3. Ayupov D.A. Aging of bitumen-polymer binders // Bulletin of the Kazan Technological University.
- 2013. - Vol. 16, N 15. - P. 126-129.
4. Ayupov D.A., Murafa A.V., Makarov D.B. et al. Nano-modified bitumen binders for asphalt concrete // Housing Construction - 2010. - N 10. - P. 34-35
5. AyupovD.A., PotapovaL.I., MurafaA.V. etal. Interaction of bitumen with polymers // Construction materials. - 2011. - N 1. - P. 140.
6. Minkhairova A.I., Zakirova L.Yu., Wolfson I.S. et al. Modification of road bitumen with mixed thermoplastic elastomers // Bulletin ofthe Kazan Technological University. - 2012. - Vol. 15, N 17. - P. 120-122.
7. Murafa A.V., Ayupov D.A., Khozin V.G. Bitumen-rubber binders for construction purposes: Textbook / Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Kazan State University of Architecture and Engineering. - Kazan, 2012.
8. Puzakova E.V., Zakirova L.Yu., Wolfson I.S. et al. Influence of the composition of thermoplastic elastomers on the properties of modified bitumen // Bulletin of the Kazan Technological University. - 2013.
- Vol 16, N 1. - P. 120-121.
9. Makarov D., Ayupov D., Murafa A. et al. Compatibility studies of mixed thermo-plastic rubber with road bitumen // Open Civil Engineering Journal. - 2014. - Vol. 8, N 1. - P. 124-129.
10. Ayupov D., Makarov D., Murafa A. et al. Modular mobility investigation of polymer binder bitumen // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Advanced Materials in Construction and Engineering. Ser. «International Scientific Conference of Young Scientists: Advanced Materials in Construction and Engineering, TSUAB 2014», 2015. - P. 012003.
11. Makarov D.B., Yagund E.M., Ayupov D.A. et al. Study of bitumen-polymer binders modified with mixed thermoplastic elastomers using infrared spectroscopy // News of the Kazan State University of Architecture and Construction. - 2015. - N 4. - P. 280-286.
12. Binder and rubber asphalt concrete BITREC. Application experience // Research and Production Group INFOTECH LLC. - M., 2014. - 20 p.
13. GOST 33133-2014 Roads for public use OIL ROAD VISCOUS BITUMENS / Standardinform. -M., 2014.
14. Andriadi Yu.G. Complex modified polymer-bitumen binder for top layers of asphalt concrete pavements: diss. ...Cand. Sc. Engineering: 05.23.05. - Rostov-on-Don, 1999. - 156 p.
15. Begunkova N.I. Study of the use of polymer production waste as improving additives in asphalt concrete // State All-Union Road Research Institute. - 1977. - Issue. 99. - P. 102-109.
16. Ayupov D.A. Nanomodified bitumen binders for asphalt concrete // Construction materials. - 2010.
- N 10. - P. 34-36.
17. Ayupov D.A., Potapova L.I., Murafa A.V. et al. Modern methods of rubber regeneration and the possibility of using them in the construction industry // Construction materials. - 2011.- N 5. - P. 260.
18. Dyakov K.A., Cherskov R.M., Zinchenko E.V. Effect of elastic coatings // Automobile roads. -2012.- N 2. - P.112-114.
19. Nikolsky V.G. «Unirem» and other modifiers // Automobile roads. - 2010. - N 3. - P. 28-29.
20. BITUMEN RUBBER ENVIRONMENTALLY FRIENDLY COMPOSITE MATERIALS BI-TREK [Electronic resource] // bitrack.ru - Access mode: http://www.bitrack.ru. - Cap. from the screen.
21. Abdulwarith B., Norhidayah H., Hanif M. et al. Effects of mixture design variables on rubber-bitumen interaction: properties of dry mixed rubberized asphalt mixture // Materials and Structures. - 2016. -P. 97-103.
22. MullM. A., Stuart K., Yehia A. Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement // Journal of Materials Science. - 2002. - Vol. 37. - P. 557-566.
23. Kim H., Lee S., Amirkhanian S. Rheology investigation of crumb rubber modified asphalt binders // KSCE Journal of Civil Engineering. - 2010. - Vol. 14. - P. 839-843.
24. Urkhanova L.A., Shestakov N.I., Buyantuev S.L. et al. The use of carbon nanomaterials for effective road construction composite // ESSUTM Bulletin. - 2014. - N 6 (51). - P. 67-72.
25. Urkhanova L.A., Shalbuev D.V., Rudakov E.O. Improving the deformation and strength characteristics of crushed stone-mastic asphalt concrete based on bitumen modified with a colloidal additive // ESSUTM Bulletin. - 2014. - N 2 (81). - P. 75-81.
