УДК 625.7.06

Влияние резины, полученной путем переработки изношенных шин на физико-химические характеристики битума

Научный руководитель Вагапов Булат Рустемович – доцент кафедры химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета.

Бабаев Рафат Алигисмат оглы – магистрант кафедры химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета.

Фаттахов Данил Альбертович – студент кафедры химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета.

Аннотация: Рассмотрены основные направления модификации дорожных битумов, механизм влияния резиновой крошки как модификатора на свойства нефтяных битумов. Приведены результаты на основе битума марки БНД 100/130.

Ключевые слова: битум, модификация, резиновая крошка, дороги.

В современном мире невозможно представить промышленность без развития автотранспорта и скоростных автомобильных магистралей. По этой причине нефтяное битумное вяжущее является товарным продуктом и главным вяжущим материалом для приготовления асфальтобетонной смеси. В дорожной отрасли активно используют нефтяные битумные вяжущие, добываемые переработкой нефтяного остатка, сходных по групповому составу с остаточными битумными вяжущими. Нефтяные битумы являются неотъемлемым компонентом асфальтобетонных покрытий, которые широко используются в дорожном строительстве. Однако, в исходном состоянии битумы обладают рядом недостатков, таких как низкая эластичность, температурная чувствительность и подверженность трещинообразованию. Для устранения этих недостатков и повышения эксплуатационных характеристик нефтяных битумов применяются различные модификаторы. Модификаторы нефтяных битумов представляют собой добавки, которые вводятся в состав битума для улучшения его физико-механических свойств. Они выполняют различные функции, включая: 1) Повышение эластичности битума, что снижает риск образования трещин при низких температурах и повышает устойчивость к динамическим нагрузкам. 2) Расширение рабочего температурного интервала битума, что позволяет использовать его в более широком диапазоне температур без ущерба его эксплуатационным характеристикам. 3)Улучшение адгезии битума к минеральным материалам, что повышает прочность и долговечность асфальтобетонных покрытий. 4)Повышение стойкости битума к окислению и старению, что продлевает срок его службы. В качестве модификаторов нефтяных битумов могут выступать различные материалы, синтетические каучуки, термоэластопласты, нефтеполимерные смолы, специально синтезированные полимеры.
Второй направление модификаторов, больше нацелены на улучшение использование отходов. Проблема загрязнения окружающей среды является острой и актуальной в современном мире. Значительную угрозу представляют трудно утилизируемые отходы промышленности. С развитием производства полимерных изделий увеличивается количество отходов полимерных материалов. В настоящее время автомобильные шины становятся одним из распространенных видов полимерных отходов. Изношенные шины огнеопасны, в случае возгорания погасить их достаточно трудно, а при горении в воздух выбрасываются вредные продукты горения, относящиеся к I и II классу опасности. Использование резиновой крошки в качестве добавки в битум, облегчает проблему с отходами шин. Измельчение отработанных шин в резиновую крошку, это один из лучших способов переработки.

Комбинируя различные модификаторы, можно добиться синергетического эффекта и получить битум с оптимальными свойствами для конкретного применения. Модификация нефтяных битумов позволяет значительно повысить их эксплуатационные характеристики и расширить область их применения.

В России резиновую крошку получают путем переработки изношенных легковых, грузовых, автобусных и троллейбусных шин. Шины с истекшим сроком службы представляют собой серьезную экологическую проблему. Ежегодно около 1,5 миллиардов шин заканчивают свой жизненный цикл, и их число растет [5]. Для того, чтобы они не были потенциальной проблемой для экологии, лучшем применением является использование в качестве добавки в различных продуктах для строительство. Особый интерес здесь представляет использование резиновой крошки в асфальтобетонной промышленности.

Битумное вяжущее может быть модифицировано резиновой крошкой для улучшения его свойств [1]. Качество битума, модифицированного резиновой крошкой, в значительной степени зависит от технологических параметров при смешивании с битумом. Чем больше удельная поверхность частиц, тем лучше конечные свойства модифицированного битума.

По сравнению с битумами, модифицированными полимером СБС, у битумов, модифицированными резиновой крошкой наблюдается меньшая температурная восприимчивость. Это означает повышенную устойчивость к образованию колеи при высоких температурах и повышенную устойчивость к низкотемпературному растрескиванию при низких температурах для битума, модифицированного резиновой крошкой, по сравнению с битумами, модифицированными с СБС.

Так же резиновая крошка может влиять на увеличение срока эксплуатации дорог на 5–10 лет за счет уменьшения на дорожной поверхности образование трещин; повышение деформативности дорожного покрытия. Снижение колеобразования за счет упругости асфальтобетона на битуме. Улучшение сцепных свойств с поверхностным покрытием. Сохранение характеристик асфальтобетона даже при высоких перепадах температуры, когда покрытия без добавления резиновой крошки переходят в пластичное состояние, при повышенных температурах накапливая деформации. При низких температурах наблюдается менее интенсивный процесс трещинообразования. Это позволяет строить дороги в любой климатической зоне. Увеличение срока службы автомобильных шин благодаря постепенному износу протектора.

Экспериментальная часть.

В работе были использован битум БНД-У 100/130, производства ОАО «НГК «Славнефть», свойства и групповой состав которого приведены в таблице 1 и 2, соответственно.

Таблица 1. Групповой состав

Масла	54,7
Смолы	30,27
Асфальтены	17,3

В качестве модификатора применялась резиновая крошка, полученная путем переработки автомобильных шин. Размер фракции - 0,8-1 мм.

Характеристики исходного битума и требования ГОСТ приведены в табл. 2.

Таблица 2. Свойства исходного битума

Наименование

Пенетрация при температуре

25°С, 0,1 мм

Температура размягчения

по кольцу и шару,

Т, °С, не ниже

Растяжимость при температуре 25°С, Д, см,

не менее

Температура хрупкости, °С, не выше

ГОСТ 33133-2014

101-130

-20

Битум БНД 100/130

112

Более 100

-23

Модификация битума резиновой крошкой проводилась при температуре 160-180° С. на верхнеприводной мешалке. Время перемешивания варьировалось от двух до трех часов. Однородность составов проверялась методом стеклянной палочки.

Исследование исходного битума и модифицированных составов проводились согласно ГОСТу 33133–2014 «Битумы нефтяные дорожные вязкие».

Обсуждение результатов

Применение и подбор правильного модификатора непростой процесс, что обусловлено сложностью совместимости применяемых добавок с исходным битумом, так как далеко не все модификаторы совместимы с битумными материалами. Неполная совместимость с битумом приводит к снижению срока службы дорожного покрытия из-за невозможности формирования однородного материала, способного к восприятию транспортных нагрузок. В связи с этим, в данной работе исследовалось влияние добавок резиновой крошки на окисленные битумы.

Температура процесса модификации ограничивается максимальной температурой переработки битума, которая для дорожного битума составляет 160-180°С. Действие более высоких температур в течение длительного времени приводит к деградации битума. С другой стороны, температура процесса модификации определяется значениями, необходимыми для термодеструкции резиновой крошки. [3]

Результаты модификации битума БНД 100/130 резиновой крошкой представлены в таблице 3.

Таблица 3. Свойства модифицированного битума

Наименование	Пенетрация при температуре 25°С, 0,1 мм	Температура размягчения по кольцу и шару, Т, °С, не ниже	Растяжимость при температуре 25°С, Д, см, не менее	Температура хрупкости, °С, не выше
Битум БНД 100/130	112	53	Более 100	-23
РК 5%	92	53	Более 100	-25
РК 10%	85	58	Более 100	-21
РК 20%	72	64	83	-17

По экспериментальным данным видно, что модификация битума с использованием резиновой крошки приводит к улучшению консистенции битума. Это проявляется в повышении температуры размягчения, снижении пенетрация (глубины проникании иглы). Однако добавка резиновой крошки негативно влияет на растяжимость и температуру хрупкости. Это может быть связано с тем, что резиновая крошка увеличивает вязкость битума, что делает его более жестким и менее эластичным. Снижение пенетрации и увеличение температуры хрупкости может быть связано с тем, что при добавлении резиновой крошки растет соотношение асфальтенов к маслам.

По результатам исследований выявлено, что с точки зрения комплекса эксплуатационных свойств оптимальной концентрацией резиновой крошки в битуме составляет менее 10%. При дальнейшем увеличении концентрации резиновой крошки существенных улучшений свойств битума не происходит, а наоборот, возрастает риск расслоения материала, что может привести к потере эксплуатационных характеристик. Кроме того, при высоких концентрациях модификаторов возрастает риск расслоения материала.

Заключение

По результатам исследования выявлены зависимости изменения свойств резино-битумных вяжущих в зависимости от концентрации резиновой крошки. Показана совместимость дорожного битума с резиновой крошкой, однако однозначно утверждать о том, что добавка резиновой крошки является эффективным способом улучшения свойств битумного вяжущего нельзя. При соблюдении оптимальной концентрации и правильно подобранной рецептуре, резиновая крошка не способствует расслоению вяжущего, а также улучшает консистенцию битумного материала. Это, в свою очередь, может способствовать увеличению срока службы дорожного покрытия и снижению вероятности появления трещин и выбоин на дорожном полотне. Как правило, основной целью модификаций резиновой крошкой битумных материалов является утилизация отходов шинной промышленности и снижение стоимости конечного вяжущего.

Список литературы

Иванова, Т. Л. Модификация дорожного асфальтобетона резиновыми порошками механоактивационного способа получения / Иванова Т.Л. ; Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия. — Улан-Удэ, 2009. — 19 c.
Юнусова Г.Б. Анализ цикла обращения отходов автомобильных шин / Г.Б. Юнусова// Вестник ИГУ —2013 — 53 с.
Пособие по строительству асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов / И. А. Плотникова, В. Н. Сотникова, М. Б. Сокальская [и др.]. — Москва: Союздорнии, 1991. — 138 c.
Гун Р.Б. Нефтяные битумы: учеб. пособие для рабочего образования / Р.Б. Гун. – М.: Химия, 1989. – 152 с.
Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон: метод. пособие для слушателей ГОУ ДПО 110 ГАСИС / сост.: Л.М. Гохман. - Москва: Изд-во ГОУ ДПО ГАСИС, 2008. – 94 с.
Вильде О. Битум: путь в «премиум» / О. Вильде // Сибирская нефть. – 2020. - №6 (173). – С. 44-47.
Беляев П.С., Забавников М.В., Маликов О.Г., Волков Д.С. Исследования влияния резиновой крошки на физико-механические показатели нефтяного битума /Вестник ТГТУ// 2005 – 930 с.
Абдуллин И.А., Композиционные материалы с полимерной матрицей. Учебное пособие / И.А. Абдуллин и др. – Казань: Изд-во КГТУ. – 2006. – 144 с.
Веселов, В. И. Переработка использованных шин. Международный опыт // Твердые бытовые отходы. — 2012. — № 12. — С. 58–63.