V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013
ВОЗДЕЙСТВИЕ ФРАКЦИИ РЕЗИНОВОЙ КРОШКИ НА ПРИГОТОВЛЕНИЕ РЕЗИНОБИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Одним из способов промышленной утилизации шинных отходов является использование продуктов их переработки при строительстве автомобильных дорог. При этом получаемая резиновая крошка добавляется либо в битум с получением резинобитумного вяжущего («мокрый» способ), либо в асфальтобетонную смесь в процессе ее приготовления («сухой» способ). Подобными положительными примерами в России являются битумнорезиновый экологически чистый композиционный материал «БИТРЭК» [2], модификатор «УНИРЕМ» [3], резинобитумное вяжущее «БРК-ИГУ» [4]. В Кузбассе также имеется опыт устройства слоев дорожного покрытия на основе резинобитумных вяжущих, однако, к сожалению, отрицательный. Так в 1997 и 2012 годах различные технологии с использованием резиновой крошки были опробованы на автомобильной дороге «Новосибирск – Ленинск-Кузнецкий – Кемерово – Юрга», причем в последнем случае с использованием американской технологии и оборудования из США, однако не в одном из случаев положительного результата не достигнуто [5, 6]. Это доказывает необходимость проведения дополнительных исследований с получением такой технологии, которая могла бы эффективно применяться в погодно-климатических условиях конкретного региона Российской Федерации. Простое перенимание уже известных технологий практически во всех случаях не может дать положительных результатов.
В Кузбасском государственном техническом университете имени Т.Ф. Горбачева при содействии ОАО «Кемеровоспецстрой» также ведутся исследования по получению резинобитумных вяжущих с резиновой крошкой производителей Кемеровской области и имеющих физико-химические показатели, соответствующие эффективному применению таких вяжущих в погодно-климатических условиях, характерных для Кузбасса. Одна из проблем получения резинобитумных вяжущих состояла в выборе размера резиновой крошки.
Анализ номенклатуры размеров резиновой крошки, выпускаемой в Кузбассе, показал, что производители выставляют на продажу резиновую крошку размером до 1 мм, 1-2 (1-3) мм и 2-5 (3-5) мм. Необходимо было определиться, какая из представленных фракций наиболее пригодна для получения резинобитумных вяжущих. При этом оценивались такие технологические параметры как температура и время приготовления, необходимые для растворения резиновой крошки до размера неоднородностей, не превышающих 0,1 мм, а также физико-химические показатели композиционного вяжущего, такие как температура размягчения по кольцу и шару и низкотемпературные свойства через показатель гибкости. Важно подчеркнуть, что процесс получения резинобитумного вяжущего был двух стадийным, с получением на первом этапе суспензии, а на втором конечного продукта.
Применение двух стадий при получении резинобитумного вяжущего обусловлено задачей максимально возможного сохранения физико-химических свойств исходного битума в конечной композиции, так как известно, что при длительном высокотемпературном воздействии химический состав битума изменяется с увеличением высокомолекулярных (в том числе и твердых) и уменьшением низкомолекулярных соединений.
Результат применения резиновой крошки размером менее 1 мм при получении суспензии оказался отрицательным. Обусловлено это тем, что удельная поверхность частиц такой резиновой крошки оказалось достаточно большой и для ее полного смачивания количества пластификатора оказалось недостаточным, что потребовало дополнительного введения вяжущего, а это противоречило задачи максимального сохранения свойств исходного битума. Серьезным недостатком также является отношение максимального диаметра резиновой крошки и минимальному, которое доходит до 10 и более, что в процессе приготовления вяжущего ведет к полной деструкции мелких частиц резины с образованием низкомолекулярных углеводородных соединений и лишь частичной деструкции крупных частиц. Это приводит к снижению температуры размягчения по кольцу и шару резинобитумного вяжущего, составлявшего в нашем случае +42ºС, в то время как у исходного битума данный показатель равнялся +44ºС. Однако применение тонкодисперсной резиновой крошки имело и положительные моменты. К ним можно отнести достаточно невысокую температуру получения резинобитумного вяжущего (185-195ºС) и относительно малое время перемешивания (1,0-1,5 часа).
С целью сопоставления результатов исходная резиновая крошка размером менее 1 мм была просеяна через сито № 0,5 и при аналогичных технологических параметрах получено резинобитумное вяжущее на резиновой крошке фракции 0,5-1 мм. Температура размягчения по кольцу и шару полученного композиционного материала составила +50ºС, при изгибе на стержне диаметром 10 мм (косвенная характеристика температуры хрупкости по Фраасу) при температуре минус 25ºС пластин с вяжущим трещины не образовались (температура хрупкости по Фраасу не превышает минус 25ºС). Данный эксперимент показывает, что отношение максимального размера резиновой крошки к минимальному должно быть как можно меньшим, так как в этом случае деструкция резины идет более равномерно, что улучшает физико-химические свойства резинобитумного вяжущего. Для примера, в штате Аризона (США) применяется резиновая крошка размером в основном от 0,6 до 2 мм [7], то есть коэффициент сбега (отношение наибольшего размера частиц к наименьшему) равен 3,3. В России приобретение у производителя резиновой крошки размером менее 1 мм с последующим отсевом мелких частиц крайне не эффективная мера, поэтому от использования в дальнейшем данной фракции резиновой крошки пришлось отказаться.
Применение резиновой крошки размером 1-3 мм (коэффициент сбега равен 3) оказалось эффективным. На первой стадии получения резинобитумного вяжущего поверхность всех частиц резины оказалась достаточно смоченной для того, чтобы происходило их набухание и последующее растворение. При температуре 185-195ºС процесс растворения резины протекал настолько медленно, что через 6 часов заметного уменьшения размеров частиц не наблюдалось. Пришлось увеличить температуру сначала до 200-210ºС, при которой скорость растворения частиц также была достаточно медленной (через 4 часа присутствовали частицы размером более 0,5 мм), а затем до 210-220ºС, которая позволила растворить резиновую крошку до неоднородностей не превышающих 0,1 мм за 2,0-2,5 часа. Температура размягчения по кольцу и шару полученного резинобитумного вяжущего составила +55ºС, температура хрупкости через показатель гибкости не выше минус 25ºС. Таким образом, резиновая крошка размером 1-3 мм, имеющая коэффициент сбега равный 3, оказалась приемлемой для получения резинобитумного вяжущего, имеющего значительно лучшие физико-химические характеристики, чем у исходного битума (температура размягчения по кольцу и шару +44ºС, температура хрупкости по Фраасу минус 17ºС).
Работа с резиновой крошкой размером от 3 до 5 мм была затруднена тем, что при температуре 210-220ºС резиновые частицы практически не растворялись, что потребовало увеличения температуры до 235-245ºС, но при этой температуре пластификатор начал выгорать, частицы резины оказались в полном объеме не смоченными и начали распадаться с образованием низкомолекулярных соединений. Полный распад наблюдался через 3,0-3,5 часа. Это привело к тому, что резинобитумное вяжущее имело температуру размягчения по кольцу и шару +45ºС, а температуру хрупкости через показатель гибкости выше минус 25ºС.
Если проанализировать российский и мировой опыт, то «БИТРЭК» может иметь неоднородности размером до 3 мм [2], «УНИРЕМ» содержит частицы резины размером менее 0,9 [8], для приготовления «БРК-ИГУ» используется резиновая крошка размером 5-7 мм [4], а в Европе в основном применяется резиновая крошка размером менее 1,25-2 мм [7]. При этом одна часть специалистов сходится во мнении, что мелкая (менее 1 мм) и сверхмелкая (менее 0,1 мм) резиновая крошка не оказывает положительное влияние на качество конечного композита, а другая наоборот утверждает, что необходимо стремиться к уменьшению размеров отдельных частиц.
Кемерово, Россия
Библиографический список
-
«Сибур» проанализировал проблему утилизации шин в России [Электронный ресурс] // sibur.colesa.ru. – Режим доступа: http://sibur.colesa.ru/news/10449.html. - Загл. с экрана.
2. БИТУМНОРЕЗИНОВЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ БИТРЭК [Электронный ресурс] // bitrack.ru – Режим доступа: http://www.bitrack.ru. – Загл. с экрана.
3. УНИКОМ – универсальные композиционные материалы [Электронный ресурс] // nk-group.ru/unirem.html. – Режим доступа: http://www.nk-group.ru/unirem.html. – Загл. с экрана.
4. Bitumen-rubber composite [Электронный ресурс] // bitumen-rubber.com. Режим доступа: http://www.bitumen-rubber.com/?brc=17. – Загл. с экрана.
5. ДОроги дороги [Текст] : Российский региональный еженедельник «МК в Кузбассе». – 18 мая 2011. – Кемерово, 2011.
6. Кузбасс – главное [Электронный ресурс] // kuzbass85.ru. Режим доступа: http://www.kuzbass85.ru. – Загл. с экрана.
7. Центр развития дорожных технологий [Электронный ресурс] // http://crdtech.ru. Режим доступа: http://crdtech.ru/index.php/publications/articles/7-2011-06-23-17-54-16. – Загл. с экрана.
8. СТО 61595504-002-2010. Материал композиционный «УНИРЕМ-001» на основе активного резинового порошка. Технические условия [Текст] / ООО «Уником». – Подольск : ООО «Уником», 2011. – 20 с.
Impact of fraction of comminuted rubber on preparation of the rezinobitumny
the knitting
Shabayev S. N., Ivanov S. A. Vakhyanov E.M.
The problem of utilization of the waste automobile tires, already solved in the majority the developed countries of the world, is in Russia only at an early stage of development. It is impossible to claim that in Russia do not deal with this problem, however unlike the European countries, the legislation of the Russian Federation in any way does not encourage production utilization of a similar wastage at the expense of subsidizing, decrease in taxes, or other measures of inducing [1].
One of ways of production utilization of a tire wastage is use of products of their processing at construction of highways. Thus received comminuted rubber is added or in bitumen with receiving rezinobitumny knitting (a "wet" way), or in an asphalt concrete mix in the course of its preparation (a "dry" way). Similar positive examples in Russia are bitumnorezino-vy pollution-free BITREK composite [2], the UNIREM modifier [3], rezinobitumny knitting "BRK-IGU" [4]. In Kuzbass also there is an experience of the device of layers of a paving on the basis of rezinobitumny knitting, however, to a regret, the negative. So in 1997 and 2012 various technologies with use of comminuted rubber were tested on the highway "Novosibirsk — Leninsk-Kuznetsk — Kemerovo — Yurga", and in the latter case with use of the American technology and inventory from the USA, however not in one of cases of a positive take is not reached [5, 6]. It proves need of carrying out padding researches with receiving such technology which could be applied efficiently in weather climatic conditions of the concrete region of the Russian Federation. The prime perenimaniye of already known technologies practically in all cases cannot yield positive takes.
At the Kuzbass state technical university of name T.F. Gorbachev with assistance of JSC Kemerovospetsstroy researches on receiving rezino-bituminous producers of the Kemerovo region knitting with comminuted rubber and having the physical and chemical indexes corresponding to efficient application such knitting in weather climatic conditions, the reference for Kuzbass also are conducted. One of problems of receiving the rezinobitumny knitting consisted in a choice of the size of comminuted rubber.
The analysis of the nomenclature of the sizes of the comminuted rubber which is let out in Kuzbass, showed that producers offer for sale comminuted rubber up to 1 mm in size, 1-2 (1-3) mm and 2-5 (3-5) mm. It was necessary to be defined what of the presented fractions is most suitable for receiving the rezinobitumny knitting. Such technological parameters as temperature and a preparation time necessary for disolution of comminuted rubber to the extent of inhomogeneities, not exceeding 0,1 mm, and also physicochemical indexes composition knitting, such as softening point on a ring and a sphere and the low-temperature properties through a flexibility indicator were thus estimated. It is important to emphasize that process of receiving rezinobitumny knitting was two stage, with receiving at the first stage of suspension, and on the second termination products.
Application of two stages when receiving the rezinobitumny knitting is caused by a problem of the greatest possible preservation of physical and chemical properties of initial bitumen in terminating composition as it is known that at the long-lived high-temperature influence chemical composition of bitumen changes with increase high molecular weight (including solid) and decrease of low-molecular weight compounds.
The result of application of comminuted rubber less than 1 mm in size when receiving suspension appeared the negative. It is caused by that a specific surface area of particles of such comminuted rubber was rather big and for its complete wetting of amount of softener it was poor that demanded padding introduction knitting, and it contradicted problems of the maximal preservation of properties of initial bitumen. Serious shortcoming also is the relation of the maximal diameter of comminuted rubber and minimum which reaches to 10 and more that in the course of preparation knitting conducts to the complete destruction of shallow particles of rubber with formation of low-molecular weight hydrocarbon compounds and only partial destruction of large particles. It leads to decrease in softening point on a ring and a sphere rezinobitumny knitting, making in our case +42ºС while at initial bitumen this index equaled +44ºС. However application of fine-grained comminuted rubber had also the positive moments. It is possible to carry rather low temperature of receiving to them rezinobitumny knitting (185-195zs) and rather small time of hashing (1,0-1,5 hours).
For the purpose of comparison of results initial comminuted rubber less than 1 mm in size was sifted through a bolter No. 0,5 and at similar technological parameters is received rezinobitumny knitting on comminuted rubber of fraction of 0,5-1 mm. Softening point on a ring and a sphere of the received composite made +50ºС, at a bend on a core with a diameter of 10 mm (the indirect characteristic of brittleness temperature across Fraas) at a temperature a minus 25ºС plates with knitting cracks were not formed (brittleness temperature across Fraas does not exceed a minus 25ºС). This experiment shows that the relation of the maximal size of comminuted rubber to the minimum has to be as it is possible smaller as in this case the destruction of rubber goes more evenly that improves physical and chemical properties of the rezinobitumny knitting. For an example, in the State of Arizona (USA) comminuted rubber by the size generally from 0,6 to 2 mm [7] is applied, that is the coefficient сбега (the attitude of the greatest particle size towards the least) is equal 3,3. In Russia acquisition at the producer of comminuted rubber less than 1 mm in size with the subsequent elimination of shallow particles extremely not an effective measure therefore further the given fraction of comminuted rubber had to refuse use.
Application of comminuted rubber of 1-3 mm in size (the coefficient сбега is equal 3) was efficient. At the first stage of receiving rezinobitumny knitting the surface of all particles of rubber appeared enough the wetted in order that there was their swelling and the subsequent disolution. At a temperature 185-195zs process of disolution of rubber flowed past so sluggishly that in 6 clocks of noticeable decrease of particle sizes was not observed. It was necessary to increase temperature at first to 200-210zs at which the speed of disolution of particles also was rather sluggish (in 4 hours there were particles more than 0,5 mm in size), and then to 210-220zs which allowed to dissolve comminuted rubber to inhomogeneities of not exceeding 0,1 mm in 2,0-2,5 hours. Softening point on a ring and a sphere of the received rezinobitumny knitting made +55ºС, brittleness temperature through an indicator of flexibility is not higher a minus 25ºС. Thus, the comminuted rubber of 1-3 mm in size having coefficient сбега equal 3, was accepted for receiving rezinobitumny knitting, having considerably the best physical and chemical characteristics, than at initial bitumen (softening point on a ring and a sphere +44ºС, brittleness temperature across Fraas a minus 17ºС).
Work with comminuted rubber from 3 to 5 mm in size was complicated by that at a temperature 210-220zs rubber particles practically were not dissolved that demanded increase in temperature to 235-245zs, but at this temperature softener started burning out, particles of rubber were in full not the wetted and started breaking up with formation of low-molecular weight compounds. The complete disintegration was observed in 3,0-3,5 hours. It led to that the rezinobitumny knitting had softening point on a ring and a sphere +45ºС, and brittleness temperature through an indicator of flexibility is higher a minus 25ºС.
If to analyse the Russian and world experience, "BITREK" can have inhomogeneities up to 3 mm in size [2], "UNIREM" contains particles of rubber less than 0,9 in size [8], for preparation of "BRK-IGU" comminuted rubber of 5-7 mm in size [4] is used, and in Europe comminuted rubber less than 1,25-2 mm in size [7] is generally applied. Thus one part of experts agrees in opinion that shallow (less than 1 mm) and supershallow (less than 0,1 mm) comminuted rubber has no positive impact on quality of a terminating composite, and another on the contrary claims that it is necessary to seek for decrease of the sizes of separate particles.
Kemerovo, Russia
Bibliography
1 . "Sibur" analysed a problem of utilization of tires in Russia [An electronic resource]//sibur.colesa.ru. – Access mode: http://sibur.colesa.ru/news/10449.html. - Zagl. from the screen.
2 . BITUMNOREZINOVYE BITREKS POLLUTION-FREE COMPOSITES [An electronic resource]//bitrack.ru – Access mode: http://www.bitrack.ru. – Zagl. from the screen.
3 . UNIKOM – the universal composites [An electronic resource]//nk-group.ru/unirem.html. – Access mode: http://www.nk-group.ru/unirem.html. – Zagl. from the screen.
4 . Bitumen-rubber composite [Electronic resource]//bitumen-rubber.com. Access mode: http://www.bitumen-rubber.com/?brc=17. – Zagl. from the screen.
5 . [Tekst] Road Road: Russian regional weekly "MK V Kuzbasse". – May 18, 2011. – Kemerovo, 2011.
6 . Kuzbass – the main thing [An electronic resource]//kuzbass85.ru. Access mode: http://www.kuzbass85.ru. – Zagl. from the screen.
7 . Center of development of road technologies [Electronic resource]//http://crdtech.ru. Access mode: http://crdtech.ru/index.php/publications/articles/7-2011-06-23-17-54-16. – Zagl. from the screen.
8 . HUNDRED 61595504-002-2010. Material composition "UNIREM-001" on the basis of the fissile rubber powder. Technical specifications on [Text] / JSC "Unikom". – Podolsk: JSC "Unikom", 2011. – 20 pages.
Согласно проведенным исследованиям, могут использоваться как мелкие частицы резины, так и крупные, а основными факторами, обуславливающими их эффективное применение, являются используемые пластификаторы и отношение максимального размера частиц к минимальному, которое не должно быть более 3-4.