Содержание
1. Патент 3
2. Введение 4
3. Постановка задачи 6
4. Процесс создания нового вяжущего 7
5. Экспериментальные результаты 9
6. Заключение 12
7. Список литературы 13
Патент
СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИНОБИТУМНОЙ КОМПОЗИЦИИ - 2489464
Изобретение относится к строительным материалам широкого спектра применения и может быть использовано для дорожных, кровельных, изоляционных, герметизирующих работ. Способ включает смешивание битума и резиновой крошки шинных отходов, их температурную обработку и пластифицирование смеси. Битум и резиновую крошку в составе композиции используют при следующем соотношении, мас.%: резиновая крошка - 13,0-31,0, битум - остальное. При этом в предварительно нагретый до 160°C битум вводят порциями с перемешиванием резиновую крошку, причем после загрузки ее последней порции смесь перемешивают в течение около 10 минут. Затем, продолжая перемешивание смеси, проводят ее обработку ультразвуком, по завершении которой продолжают перемешивание смеси около 10 минут. Полученные резинобитумные композиции обладают повышенными значениями температур размягчения и хрупкости, сохраняемыми в суровых климатических условиях при повышенных механических нагрузках.
Введение
Шинные отходы – одни из самых вредных техногенных отходов. В России, как практически во всех странах мира, длительное время ведутся изыскания эффективных способов их утилизации. В этом плане перспективно использование резиновой крошки шинных отходов для производства дорожных асфальтобетонов, мировое производство которых достигает порядка нескольких миллионов тонн в год. Впервые такую крошку использовали как модифицирующий наполнитель при производстве асфальтобетонных смесей. Этот способ назван «сухим», теоретически он позволил бы утилизировать большую часть шинных отходов. Однако он был отвергнут: при первых же его применениях проявились два существенных недостатка: качество асфальтобетона не повышалось, а при эксплуатации дороги выбивалась резиновая пыль, что чрезвычайно вредно для живых организмов. Создание полимерно-битумных вяжущих (ПБВ), обладающих более высокими (по сравнению с битумом) физико-механическими показателями, позволило развить идею использования отходов шинной резины для модификации битума с целью создания резинобитумного вяжущего. Такой способ был назван «мокрым», так как это вяжущее вводилось в минеральную часть асфальтобетонной смеси так же, как и битум, – в традиционно жидком виде. Приготовление вяжущего заключалось в термической обработке смеси битума с резиновой крошкой. Предполагалось, что часть резины подвергнется деструкции и девулканизации непосредственно в битуме, а «освободившиеся» в результате этого молекулы каучука будут модифицировать битум. На практике оказалось, что ощутимая деструкция и девулканизация шинной резины в битуме происходит лишь при температурах 300–400 °С. Но при температурах выше 180 °С происходит сильное испарение легких фракций битума и резко ухудшаются его технологические характеристики (вязкость, пенетрация). Поэтому стали использовать определенные способы для повышения концентрации каучука в битуме. Например, в США для повышения степени деструкции и девулканизации шинной резины используют специальные химические добавки. В России дополнительно добавляют полимеры, например эпоксидные (УНИРЕМ). Предложен также способ получения концентрата с повышенным содержанием «свободного» каучука путем высокотемпературной обработки смеси битума с резиновой крошкой: для получения вяжущего туда добавляют «свежий» битум. Но во всех случаях по технологическим причинам не удалось использовать шинную резину в количестве более 15% (по массе).
На практике оказалось, что ощутимая деструкция и девулканизация шинной резины в битуме происходит лишь при температурах 300–400 °С. Но при температурах выше 180 °С происходит сильное испарение легких фракций битума и резко ухудшаются его технологические характеристики (вязкость, пенетрация). Поэтому стали использовать определенные способы для повышения концентрации каучука в битуме. Например, в США для повышения степени деструкции и девулканизации шинной резины используют специальные химические добавки. В России дополнительно добавляют полимеры, например эпоксидные (УНИРЕМ). Предложен также способ получения концентрата с повышенным содержанием «свободного» каучука путем высокотемпературной обработки смеси битума с резиновой крошкой: для получения вяжущего туда добавляют «свежий» битум. Но во всех случаях по технологическим причинам не удалось использовать шинную резину в количестве более 15% (по массе).
Постановка задачи
Этими способами удалось получать резинобитумные вяжущие хотя и с лучшими, чем у дорожных битумов, физико-механическими показателями, но все же недостаточными для реальных условий большинства регионов России, прежде с агрессивными условиями эксплуатации дорог, т.е. с максимальными температурами: выше +30 °С и ниже –30 °С. В этих случаях температура размягчения вяжущего должна быть не ниже +55 °С, а хрупкости – не выше –30 °С. Кроме того, у полученных резинобитумных вяжущих остались недостатки, присущие исходным битумам, – неудовлетворительная адгезия к минеральным веществам – наполнителям асфальтобетонной смеси с кислой природой поверхности и недостаточная эластичность. В последние годы интенсивно разрушаются дорожные покрытия в большинстве регионов России, особенно в центральных, северных, сибирских и дальневосточных, это свидетельствует о том, что применяемые дорожные асфальтобетоны (основные физико-механические свойства которых определяются их вяжущим) совершенно не удовлетворяют условиям эксплуатации дорог. Следует отметить, что на сегодня лучшими вяжущими являются ПБВ, но они дефицитны и дороги, так как производятся из первичного сырья в ограниченном количестве. Несмотря на большое количество используемых вяжущих, ни одно из них не может применяться во всех регионах России, т.е. не является универсальным. Следовательно, в каждом регионе должна быть специальная лаборатория для подбора вяжущего конкретно для условий территории. Была поставлена задача на основе эффективного использования резины шинных отходов создать новое универсальное высококачественное вяжущее для дорожных асфальтобетонов, удовлетворяющее условиям эксплуатации всех регионов Российской Федерации.
Процесс создания нового вяжущего
Для реализации поставленной задачи был дополнен традиционный термический метод получения вяжущих ультразвуковым устройством. В процессе длительных лабораторных исследований были установлены закономерности процессов, протекающих в смеси битум–резиновая крошка шинных отходов при одновременном термическом (до 180 °С) и специальном ультразвуковом воздействии. Это позволило довести концентрацию резиновой крошки до 30% (по массе), в результате значительно повысились физико-механические показатели композиции. Кроме того, под действием ультразвуковой обработки значительно понизилась вязкость смеси. Поэтому на следующем этапе использовалась возможность «ступенчатого» увеличения концентрации резиновой крошки, что позволило исследовать изменения физико-механических параметров получаемых композиций с использованием резиновой крошки до 50% (по массе). Лабораторные исследования с применением ультразвукового аппарата мощностью 150 Вт показали принципиальную возможность использования резины шинных отходов для создания нового высококачественного вяжущего с намного более высокими (по сравнению с известными) характеристиками.
Затем встал вопрос создания опытно-промышленной установки для производства нового вяжущего. Для этого была разработана и сконструирована пилотная установка со специальным ультразвуковым аппаратом мощностью 1 кВт. Такой аппарат сконструировали по заказу в Бийском технологическом институте под руководством профессора В.Н. Хмелева. На его основе построена пилотная установка (рис. 1), на которой провели исследования технологического характера. Полученные результаты позволили сконструировать (с использованием этого же ультразвукового аппарата) вторую пилотную установку. Исследования, проведенные на пилотных установках, позволили, в свою очередь, разработать оптимальную опытно-промышленную технологию производства нового вяжущего.
Кроме того, было установлено, что создаваемая мощная ультразвуковая кавитация вызывает деструкцию и девулканизацию шинной резины с дальнейшим диспергированием образовавшихся частиц активных и неактивных наполнителей резины и молекул каучука до наноразмеров. Следовательно, значительное изменение физико-механических характеристик получающихся композиций можно объяснить известным в нанотехнологиях «размерным» эффектом. Поэтому справедливо называть разработанное вяжущее нанополимерным. Кроме этого установлено, что нанополимерное вяжущее, полученное с использованием 50% (по массе) шинной резины, обладает высокими физико-механическими характеристиками, удовлетворяющими условиям эксплуатации во всех регионах не только России, но, возможно, и мира. Поэтому его можно назвать универсальным.
Учитывая, что конечной целью разработки вяжущего является его лучшая по сравнению с имеющимися аналогами практическая применимость, была построена опытнопромышленная установка небольшой производительности для получения партий нового вяжущего, достаточных для производства опытных партий асфальтобетона. Измерения физикомеханических показателей полученной партии нового универсального вяжущего подтвердили результаты лабораторных и пилотных исследований, в том числе очень хорошую технологическую характеристику. В конечном итоге измерение основных стандартных характеристик лабораторных образцов асфальтобетона, полученного на новом вяжущем, показало их соответствие требованиям ГОСТа (см. таблицы 1 и 2).
Рис. 1. Пилотная установка.