НАНОМОДИФИЦИРОВАННАЯ АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ СМЕСЬ
NANOMODIFIED ASPHALT-CONCRETE MIXTURE

Изобретение относится к автодорожной отрасли, к получению материалов для дорожного полотна с использованием вяжущего на основе битума с применением резиновой крошки из отходов резин общего, в том числе, шинного назначения и наношпинели магния в качестве модификаторов с целью разработки наиболее экономичного эффективного морозостойкого материала с лучшими физико-механическими свойствами с одновременным решением актуальных вопросов реализации изношенных шин и экологической защиты окружающей среды.
Уровень техники
Известно (1. Иванов С.Р., Круглова М.Ю., Платонова О.В., Оладов Б.Н. Современное состояние термических методов переработки изношенных шин и резиносодержащих отходов. - М.: 1985, 2. Сметанин В. И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. - М.: Колос, 2003. - 230 с.), что к моменту утраты резиновыми изделиями их эксплуатационных качеств сама полимерная матрица претерпевает сравнительно малые структурные изменения и может быть использована для вторичной переработки.
Возможность использования дробленой резины в асфальтобетоне отражена в (3. «Пособии по строительству асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов». - М.: МинТрансСтрой, 1991). В этом случае снижаются динамические воздействия на нижележащие слои и уменьшается возможность копирования трещин и других дефектов перекрываемых слоев и решается вопрос утилизации резиновых отходов.
Фактически, при явной топливной направленности отечественной нефтепереработки, выпускаемые по неизменному остаточному принципу битумные вяжущие материалы являются ее отходами. Поэтому важнейшей задачей модификации таких битумов становится исправление не только физико-механических, но и химических свойств.
Одним из направлений повышения долговечности и качества таких материалов стало введение в их состав различного рода добавок, позволяющих улучшить присущие битумам свойства и модифицировать их в необходимом для практики направлении. Одними из распространенных добавок являются резины, каучуки и термоэластопласты, которые улучшают пластоэластические, морозостойкие и др. свойства битумов (4. Методические рекомендации по строительству асфальтобетонных покрытий с применением дробленой резины / Союздорнии. - М.: 1985).
Резиновая крошка является наиболее перспективным модификатором дорожных битумов. Это объясняется тем, что, с одной стороны, резиновая крошка обладает органическим сродством с компонентами битума и при физико-механическом воздействии получается новый однородный материал, выгодно отличающийся от исходного. С другой стороны, в России ежегодно выходят из строя более 1 млн тонн шин и других резинотехнических изделий. Уровень потребления отходов за последние 5 лет увеличился незначительно и составляет не более 15% от всего сбора, причем рециклингу подвергается всего 2%. Прирост объема изношенных шин составляет около 3% в год, т.е. идет их постоянное накопление (5. Соловьев Е.М., Несиоловская Т.Н. Расширение сырьевой базы за счет использования вторичных полимеров в дисперсном виде. // Тез. Докл. «Сырье и материалы для резиновой промышленности. Настоящее и будущее» (Москва, 1996). М.: НИИШП, 1996, С.234).
Использование модифицированных битумных материалов повышенного качества при строительстве и ремонте дорог с асфальтобетонными покрытиями является особенно актуальным в районах с суровым резкоконтинентальным климатом и низкими зимними температурами, например в Республике Саха (Якутия).
Известно изобретение, в котором асфальтобетонная смесь содержит стандартные компоненты: отсев дробления щебня, песок, минеральный порошок и нефтяной битум. При этом она содержит дополнительные компоненты: вулканизированный каучук и композит модифицирующих компонентов, состоящий из метасиликата кальция игольчатой структуры, смолы эпоксидной, нитрозоаминного соединения, фенольной смолы и/или канифоли, которые находятся между собой в соотношении по массе в %: метасиликат кальция игольчатой структуры 24, смола эпоксидная 2, нитрозоаминное соединение 1, фенольная смола и/или канифоль 4, вулканизированный каучук (резиновая крошка) 69, при следующем соотношении: стандартные компоненты по массе в % 98,5-99,5, дополнительные компоненты по массе в % 0,5-1,5. Технический результат - снижение температурной чувствительности и повышение усталостной долговечности при увеличении водостойкости, морозостойкости, устойчивости к воздействию водно-солевых растворов, снижение вязкости и повышение пластичности асфальтобетонной смеси при отрицательных температурах.
К недостаткам указанной композиции следует отнести сложный технологический процесс и дорогостоящие модифицирующие добавки.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой композиция является асфальтобетонная смесь по ГОСТ 9128 3/4 84, приготовляемая смешением в смесительных установках в нагретом состоянии щебня, природного дробленого песка, минерального порошка и нефтяного дорожного битума, взятых в соотношениях, определяемых требованиями указанного стандарта.
Задачей предлагаемого изобретения является получение вяжущего материала, техническим результатом использования которого является улучшение эксплуатационных характеристик материала для автомобильных дорог, экономическая выгода и защита окружающей среды.
Указанный технический результат достигается добавлением резиновой крошки - продукта переработки отработанных шин и резинотехнических изделий в нефтяной битум, и их совместном структурировании в присутствии наношпинели магния.
Для приготовления асфальтобетона применялся битум марки БНД 90/130. В качестве модификатора битума применялась резиновая крошка из отработанных шин, полученная на режущей мельнице фирмы «Fritch» с использованием сита 0,75 мм. В качестве добавки, улучшающей взаимодействие на границе раздела фаз «битум - резиновая крошка», применялась нанодисперсная шпинель магния, синтезированная в Институте твердого тела и механохимии (ИХТТМ) г.Новосибирск. Шпинель магния вводилась в количестве 0,5% от массы вяжущего - битума.
Для приготовления образцов была выбрана щебеночная мелкозернистая смесь типа «В» марки 2. Количество вводимой резиновой крошки назначалось в соответствии с (6. ДНД МО-004/2004 «Рекомендации по подбору асфальтобетонов на битумно-резиновых композиционных вяжущих для верхних слоев покрытия и слоев износа») и составило 7% от массы битума.
Для испытания использовали оборудование:
- универсальная испытательная машина УТС 20К «Noske-kaeser» (Германия) для определения прочности на сжатие, max усилие 20 кН; скорость движения траверсы от 0 до 1000 мм/мин;
- термометр химический ртутный стеклянный с ценой деления шкалы 1°С по ГОСТ-400;
- сосуды для термостатирования образцов вместимостью от 3 до 8 л (в зависимости от размера и количества образцов).
Перед испытанием образцы термостатировали при заданной температуре: (50±2)°С, (20±2)°С или (0±2)°С. Температуру (0±2)°С создавали смешением воды со льдом.
Были исследованы следующие показатели асфальтобетонной смеси (таблица):
- предел прочности при сжатии при различных температурах 0, 20, 50°С;
- предел прочности при сжатии для водонасыщенных образцов;
- предел прочности на растяжение при расколе.
Прочностные показатели асфальтобетонных смесей
ПоказательМодификатор битума
Предел прочности асфальтобетона при сжатии, кН
Раскол при 0°С, кН
При 20°С
При 50°С
При 0°С
Водонасыщенных образцов при 20°С
Исходная смесь
14,8
4,2
22,4
10,4
20,6
Резиновая крошка сито 0,75 мм
9,7
1,5
14,0
10,2
18,0
Резиновая крошка сито 0,75 мм активированная
11,0
2,1
17,9
12,5
17,3
Резиновая крошка сито 0,75 мм активированная+шпинель магния
21,5
10,8
30,3
22,4
21,8
Операцией, улучшающей прочностные свойства исходного асфальтобетона, была выбрана предварительная механоактивация резиновой крошки (сито 0,75 мм). Выбор механоактивации на планетарной мельнице связан с низкими энерго- и металлоемкостью оборудования, простотой и безопасностью процесса. Механоактивация является эффективным и доступным способом перевода дисперсных веществ в активное состояние за счет диспергирования и повышения внутренней энергии веществ.
Проведенные исследования показали, что применение механоактивированной резиновой крошки приводит к повышению предела прочности при сжатии до 12%, а для водонасыщенных образцов до 5% по сравнению с асфальтобетонной смесью с неактивированной резиновой крошкой. Наилучшие результаты получены для композиции, содержащей резиновую крошку дисперсностью 0,75 мм, активированную совместно со шпинелью магния. В этом случае затраты на диспергирование резиновых отходов сравнительно малы, в то время как прочностные показатели улучшаются значительно. Так, предел прочности при сжатии при температуре 20°С повышается в 1,4 раза, при 50°С - в 2,6 раза, для водонасыщенных образцов - в 1,35 раза по сравнению с исходной смесью. Эти показатели значительно превышают значения, полученные для смесей с неактивированной крошкой: предел прочности при сжатии при температуре 20°С повышается в 2 раза, при 50°С - в 5 раз, для водонасыщенных образцов - в 1,7 раза. (таблица).
Применение активированной смеси резиновой крошки и шпинели магния в качестве модификатора битума в асфальтобетонных смесях наиболее целесообразно в природно-климатических условиях Севера, так как основной проблемой дорожного строительства Российского Севера является низкая трещиностойкость дорожного полотна, которая обусловлена подвижностью грунтов из-за наличия вечной мерзлоты, резких годовых (до 100°С) и суточных (до 20°С) перепадов температур. В этом случае повышенные прочностные свойства полученного модифицированного асфальтобетона в широком интервале температур могут предотвратить трещинообразование и повысить долговечность дорожного покрытия, что может компенсировать затраты на дополнительные технологические операции (механоактивация и добавление резиновой крошки в асфальтобетон). Полученный конечный материал - асфальтобетон - обладает улучшенным комплексом прочностных свойств.
Полученные составы связующих на основе битумов, модифицированных механоактивированной резиновой крошкой и шпинелью магния, могут быть использованы при устройстве покрытий и оснований на автомобильных дорогах всех категорий во всех дорожно-климатических зонах России.