Крупнейшими Российскими заводами производителями в год выпускается более 470млн.м2 мягких кровельных материалов, что составляет 1 645 000 тонн готовой продукции. По истечению срока эксплуатации (10-20 лет, процесс идет ежегодно) пригодные для утилизации и вторичного использования битумосодержащие отходы закапываются на полигонах ТБО. Таким образом, при стоимости одной тонны битума в 25 000рублей ежегодно в России уничтожается пригодное для вторичного применения сырье на сумму от 20,3млрд.руб.
Вторичный битум может использоваться в качестве заменителей первичных материалов, поскольку он имеет те же химические и физические свойства, что и материалы которые он заменяет.
Одним из путей практически полной утилизации битумосодержащих отходов являеться производство асфальтобетонных смесей с гарантированным высоким качеством в соответствии с ГОСТ9128-97.
На базе Уфимского государственного нефтяного технического университет, кафедра “Автомобильные дороги и технология строительного производства” проведены исследования свойства продуктов переработки битумосодержащих материалов ПБМ (кровельных) и предложен способ модификации битума, получающегося из отходов, путем пластификации его прямогонным гудроном. Производство асфальтобетонов на полученном вяжущем позволит утилизировать кровельные отходы практически полностью.
В результате механической переработки кровельных отходов получаются два продукта: битумный порошок, состоящий из битумной крошки и мелкого минерального наполнителя, и битуминизированный стекло/картон, представляющий собой пропитанную легкоплавкими битумами стекло/картонную основу материала, разорванную на куски размером до 40 мм.
Битумный порошок после расплавления и модификации будет использоваться полностью в технологии приготовления асфальтобетонных смесей, т. к. в состав смеси, как правило, вводится наполнитель – минеральный порошок. Обычно смесь битума с минеральным порошком называется битумным вяжущим для асфальтобетонов.
Материалы и методы
Определение количества и состава механических примесей в битумном порошке проводилось по методике, приведенной в ГОСТ6370-83. Испытания показали, что механические примеси в битумном порошке составляют 10–20 %. Они состоят как из минеральной части – мелкого песка, так и из органической – бумажных волокон, получившихся в результате разрыва стекло/картонной основы материала.
Обработка минеральной составляющей примесей соляной кислотой показала, что в битумном порошке содержится как карбонатный, так и кварцевый песок. Исследуя минеральный гранулометрический состав песка в битумном порошке, получили, что он практически полностью соответствует требованиям ГОСТ Р 52129, предъявляемым к минеральному порошку для асфальтобетона.
Для определения группового состава битума, битумный порошок был расплавлен при температуре 160–1800С, и после выдержки при данной температуре расплав был отфильтрован. Полученный «чистый» битум был исследован на хроматографе «Градиент-М» Института нефтехимпереработки РБ. Методика основана на принципах жидкостноадсорбционной хроматографии с градиентным вытеснением и предназначена для определения группового состава тяжелых нефтепродуктов с разделением на семь групп: парафино-нафте-новые углеводороды, легкие, средние, тяжелые ароматические углеводороды, смолы I, смолы II и асфальтены (табл. 1).
Из результатов данного анализа следует, что в полученном битуме присутствуют все основные группы соединений, характерные для битумов. По сравнению с дорожными битумами, во вторичном битуме наблюдается пониженное содержание масел и повышенное содержание асфальтенов и парафино-нафтеновых соединений. Это говорит о том, что такой битум должен быть более твердым и теплостойким, менее пластичным и более склонным к трещинообразованию.
Определение качественных показателей битума проводилось в соответствии с нормативными документами на следующих приборах:
– глубина проникания иглы при 250 С П25 на пенетрометре битумном ПНБ-02;
– температура размягчения – Тр по методу Кольцо–шар на аппарате АКШ-1;
– температура хрупкости – Тхр по методу Фрааса на аппарате для определения хрупкости АТХ-02;
– растяжимость при 25 оС – Р25 на дуктилометре ДА-01-150. Были получены следующие результаты: П25 =12мм; Тр = 95.9 оС ; Тхр ==–3 оС; Р25 =2.2 см.
Как и ожидалось, эти показатели не отвечают требованиям ГОСТ 22245 на дорожные битумы.
Вторичный битум для применения в дорожном строительстве непригоден и требуется его модификация. В процессе длительной эксплуатации интенсивно протекает процесс старения битума в силу контакта его с кислородом воздуха, и действием солнечной радиации. Такое термоокислительное воздействие приводит к изменению группового химического состава битума. Вместе с тем, изменяется структура вяжущего в направлении к гелеобразной из за уменьшения растворяющей способности дисперсионной среды. Восстановление первоначальных свойств битума возможно с помощью добавок-пластификаторов комбинированного действия, при котором и групповой состав, и структура нормализуются.
Одним из возможных способов модификации является пластифицирование битума гудроном Результаты экспериментов по определению качественных показателей вторичного битума, модифицированного различным количеством гудрона, приведены в табл. 2 и на рис. 1 и 2.
При совмещении переработки битумосодержащих отходов и приготовления асфальтобетонных смесей в одном предприятии можно избежать операции очистки битумного порошка от примесей.
Так, при определении количества примесей в битумном порошке было обнаружено, что в исследуемой партии порошка содержится примерно 15% примесей, которые состоят из минеральной части (песка) и волокон раздробленной картонной основы (целлюлозы). Принимаем, в первом приближении, что соотношение песок: целлюлоза равняется 1:1, т.е. в битумном порошке содержится по 7.5 % минерального и органического компонента примесей. Разбавление расплавленного битумного порошка также должно производиться с учетом наличия примесей. В частности, если в битумном вяжущем соотношение битум: гудрон должно быть 1:1, то на одну часть битумного порошка необходимо добавить 0.85 частей гудрона. Таким же образом необходимо рассчитать количество вводимого в асфальтобетонную смесь минерального порошка, уменьшив его на величину, содержащуюся в битумном вяжущем.
Были изготовлены две серии образцов мелкозернистого асфальтобетона типа Б марки III. Минеральная часть асфальтобетонных смесей была одинакова. Для первой серии (контрольной) использовался битум БНД90/130 по ГОСТ 22245. Для второй серии (опытной) битумное вяжущее было приготовлено из битумного порошка, полученного из отходов кровельных ковров. Составы смесей приведены в табл. 3.
Кроме того, для улучшения сцепления с песком в опытное вяжущее была введена адгезионная добавка БП-ЗМ в количестве 1%. Испытания асфальтобетонных образцов проведены в отделе лабораторного контроля УДС Минстройтранса РБ в соответствии с ГОСТ 9128-97. Из анализа полученных данных (табл. 4) следует, что асфальтобетон на вяжущем, полученном из битумосодержащих отходов, удовлетворяет требованиям стандарта для асфальтобетона типа Б марки III по показателям водонасыщения, прочности при 200С и при 500С и коэффициенту водостойкости.
Результат:
На основании ранее полученных результатов было сделано заключение о том, что для получения наиболее широко применяемых дорожных битумов марок БНД 40/60, БНД 60/90, БНД 90/130 необходимо вводить во вторичный битум пластификатор – гудрон в пределах 35–51 % (массовое содержание гудрона в компаунде). В этом случае основные требования ГОСТ на дорожные битумы будут выполняться. Модифицированные битумы характеризуются пониженным показателем «растяжимость при 250С». Однако эластичные свойства модифицированного битума изменяются с температурой менее резко, чем у стандартных битумов, и вследствие этого трещиностойкость их выше, т.е. ниже температура хрупкости.
При определенном содержании гудрона дорожные битумы, полученные из кровельных отходов, будут иметь следующие показатели (табл. 5).
Так как в результате старения битума вследствие окисления образуются продукты кислого характера, то можно ожидать, что пластифицированные вторичные битумы будут обладать пониженной адгезионной способностью к кислым минеральным материалам. Преобладание отрицательно заряженных ионов на поверхности кристаллической решетки минерального материала кислой породы предопределяет плохое сцепление с анионоактивным битумом, поскольку не происходит хемосорбции. При этом уменьшение краевого угла смачивания битумом минеральной поверхности, достаточный нагрев битума для уменьшения поверхностного натяжения и вязкости не обеспечивает хорошее сцепление с минеральным материалом.
Если на основе этого битумного порошка приготовить асфальтобетонную смесь, то удалять данные примеси не нужно, так как в смесь все равно добавляется минеральный порошок и нужно лишь учитывать это при расчете количества минерального порошка в составе смеси. Целлюлозные волокна также не будут ухудшать свойства бетона, а наоборот, будут стабилизировать, за счет дисперсного армирования, консистенцию смеси и предотвращать ее расслаивание.
Таким образом, получаем возможность практически полной утилизации отходов ремонта мягких кровель и применения свойств битумного вяжущего в комплексе для разработки состава асфальтобетонных смесей на их основе.