Материалы БИТРЭК – эффективное решение экологической проблемы масштабной утилизации отходов резины

4. Основываясь на приведенных выше принципах, специалистами НПГ «ИНФОТЕХ» была разработана оригинальная химическая технология объединения резиновых или полимерных отходов в виде мелкодисперсной крошки с низкокачественными остатками нефтепереработки (гудроны и битумы) с целью получения комплексных вяжущих материалов.

Являясь одним из таких материалов, БИТумноРезиновые Экологически чистые Композиционные вяжущие (сокращенно – БИТРЭК), представляют собой однородную смесь окисленных битумов с достаточно мелкой резиновой крошкой. Запатентованная химическая технология, по которой они производятся, основана на добавлении в смесь битума с резиновой крошкой специальных реагентов-катализаторов, определенным образом регулирующих радикальные процессы деструкции и сшивки каучуковых цепей резины и высокомолекулярных компонентов битума. При создании в смеси битума и резиновой крошки условий для специфической ступенчатой полимеризации в режиме «живых» цепей, частицы резины, абсорбировавшие часть мальтеновой фракции битума, объединяются как между собой, так и с высокомолекулярными компонентами битума в гетерогенную, армирующую, полимерную пространственную структуру с помощью химических связей. За счет такой структуры у вяжущего появляется достаточная для эксплуатационных целей эластичность.

Стабильность всей дисперсной гетерогенной системы, высокую и долговременную адгезию вяжущего обеспечивают полярные молекулярные группы, введенные в большом количестве в химическую структуру материала в процессе его приготовления. С одной стороны, эти группы увеличивают полярность асфальтенов, что стабилизирует гетерогенную структуру вяжущего, с другой стороны, резко повышают плотность межмолекулярных (ассоциативных) связей, которые в данном случае отвечают за адгезию материала. Причем большая часть адгезионноактивных групп химически связывается с каучуковыми цепями резины, специально подготовленными для этой операции на начальном этапе. В этом состоит принципиальное отличие повышения адгезионных свойств материалов БИТРЭК от их повышения за счет введения поверхностно-активных добавок. Адгезионные свойства присущи самому материалу композиционного резинобитумного вяжущего.

Химические вещества, участвующие в полимеризационном процессе, позволяют создать условия, при которых возможно практически полностью локализовать подвижные неспаренные электроны проводимости в коллоидных частицах битума и добиться их стабилизации. Коагуляция и выпадение кристаллов асфальтеновой фракции и углеродистых графитоподобных образований при старении в данном случае сильно кинетически и стерически затруднены и, практически, не происходят. Как и гелеобразование, которое нередко случается при модифицировании битумов каучуками и эластомерами типа СБС, когда нарушается равновесие и стабильность коллоидного состояния из-за конкуренции полярных молекул асфальтенов и полимера по отношению к жидкой дисперсионной фазе.

Можно утверждать, что существует некий оптимальный набор характеристик резиновой крошки для применения в составе битумных композиций БИТРЭК, используемых в дорожных асфальтобетонах. С учетом многих факторов – это крошка из резин общего назначения, набухающих в нефтепродуктах, с размерами частиц от 0,2 до 0,6 мм, с не слишком развитой поверхностью. Такая крошка дает самые высокие и стабильные результаты в составе новых композиционных вяжущих для производства дорожных асфальтобетонных покрытий и наиболее подходит для объединения с нефтяными битумами по разработанной химической технологии.

Технология позволяет улучшать низкокачественные, так называемые «выжатые», окисленные дорожные битумы с помощью дешевых эластомерных модификаторов, в основном резиной из отходов производства и амортизированных шин. Получать материалы БИТРЭК, в которых резина не разлагается и не растворяется, а связывается с компонентами битума прочными, но достаточно подвижными химическими связями и проявляет свои высокие эксплуатационные качества уже в составе нового композиционного материала. Благодаря такой структуре, имеющиеся как в битуме, так и в резине опасные и токсичные соединения, по-видимому, заключены в полимерную сетку и возможно химически связаны, поэтому их выделение значительно затруднено. Испытания показали, что по своим санитарно-гигиеническим свойствам материалы БИТРЭК более чистые, чем битум и резина в отдельности и отвечают самым жестким экологическим требованиям.

Введение в окисленные битумы потерянных в процессе нефтепереработки компонентов и создание условий для химической репарации повреждений молекулярной структуры материала придает им свойства подобные природным с их высочайшей стабильностью. Резина в виде мелкодисперсных частиц в данном случае является субстратом, на котором и благодаря которому становится возможным хотя бы частичное возвращение к свойствам природных нефтей и битумов.

По сравнению с использованием дорогостоящих модификаторов на основе синтетических каучуков и эластомеров типа СБС, резиновая крошка является значительно более дешевым продуктом, что также делает новую технологию одним из наиболее экономичных способов улучшения свойств дорожных битумов.

В технологии производства вяжущих используется стандартное битумоварочное оборудование, оснащенное системой подачи компонентов и циркуляцией. Процесс также удобно осуществлять на установках окисления битума типа Т-309 или в обогреваемых емкостях для хранения битума. Для предварительного перемешивания резиновой крошки используются обычные битумные насосы или барботирование сжатого воздуха, что категорически недопустимо в случае применения термоэластопластов. Дальнейшее перемешивание не требуется и во многих случаях просто запрещено, поскольку химический процесс идет в среде выделяющихся реакционных газов, которые пронизывают весь объем смеси.

Это существенно упрощает технологический процесс получения модифицированных вяжущих и повышает экономическую эффективность их применения. Какого-либо переобучения персонала не требуется, поскольку технология проста в исполнении и ее приемы не отличаются от обычно применяемых на АБЗ. Практический опыт применения показал простоту и некритичность технологического процесса, его аппаратурного оформления, широкий диапазон регулирования свойств получающихся вяжущих материалов.

Универсальность технологии в том, что она принципиально позволяет получать вяжущие и герметизирующие материалы с широким диапазоном свойств, так как имеется возможность большого выбора свойств и состава резины, дисперсности и формы частиц крошки и технологических режимов обработки различных видов битума. В результате на одном и том же оборудовании стало возможно получать материалы для совершенно различных целей, для разных климатических зон, с различным набором технических характеристик.

5. Зависимость вязкости вяжущего БИТРЭК от температуры в пределах интервала пластичности заметно отличается от обычных битумов. Температура размягчения повышается, снижается температура хрупкости, расширяется интервал пластичного состояния.

Проведенные ГП РосдорНИИ совместно с НПГ "ИНФОТЕХ" исследования материалов БИТРЭК, экспериментальные и опытно-производственные работы на объектах дорожной отрасли, показали возможность получения вяжущих отличающихся широким интервалом пластичности – до 90°С и более.

Таблица 1.

Сопоставление характеристик образцов битумных вяжущих.

Примечания:   1. Данные получены в лаборатории вяжущих Центрдорконтроля при опытном изготовлении образцов композиционных вяжущих материалов БИТРЭК из предоставленных лабораторией дорожных битумов. 2. Жирным шрифтом выделены показатели не соответствующие нормативным требованиям. 3. Показатель эластичности принят в соответствии с ОСТ 218.010-98 на ПБВ. 4. Относительная адгезионная способность приведена в сравнении с остаточным битумом, компаундированным с природным тринидадским до достижения близкой температуры размягчения.

За счет частиц резины, определенным образом химически связанных между собой и с компонентами битума в гетерогенную пространственную структуру, у материала появляется достаточная для большинства эксплуатационных целей степень эластичности, особенно при низких температурах. Такая структура может удерживать в своем объеме большое количество мелкодисперсных наполнителей без заметной сегрегации.

Вязкость такой полидисперсной системы при повышенных температурах естественно возрастает, так как поперечные химические связи уменьшают взаимную подвижность частиц, что, кстати, происходит и в случае добавок в битум полимеров. Однако достаточная для практических целей текучесть расплавленного вяжущего сохраняется.

Испытания долговременных адгезионных свойств вяжущих БИТРЭК показывают их значительное повышение по сравнению, как с исходными битумами, так и ПБВ даже при введении в их состав специальных поверхностно-активных адгезионных добавок.

Проведенные в ЦНИИПромзданий (г. Москва) чрезвычайно жесткие испытания вяжущих БИТРЭК на старение при эксплуатации в качестве кровельных материалов, т.е. при воздействии прямого солнечного ультрафиолета, активного кислорода воздуха и высоких температур, показали реальный срок службы не менее 13 – 15 лет. В покрытиях дорог вяжущее находится в более мягких условиях.

Практически вне зависимости от качества исходного битума, за счет своего состава и своей структуры вяжущее устойчиво к воздействию высоких (> 220°С) технологических температур. Вяжущее имеет достаточно высокую деформативность и эластичность, что влияет на устойчивость композиционных материалов, каковым является асфальтобетон, к разрушению под действием циклических нагрузок. Для обычных дорожных битумов такие свойства  практически недостижимы.

В отличие от битумов, вяжущие БИТРЭК неоднородны по фазовому и химическому составу, что не снижает их высоких характеристик как вяжущих материалов. В сочетании полезных свойств двух различных компонентов (частиц резины и битума) и состоит идея новой технологии получения таких вяжущих.

На основании проведенных исследований, с учетом имеющегося на практике значительного разброса химического состава исходных нефтяных битумов, для которых все-таки наблюдается относительное соответствие нормам гост 22245–90, были приняты нормативные требования для композиционных материалов БИТРЭК. Они нашли отражение в ТУ5718-004-05204776-01, разработанных и утвержденных ГП «РосдорНИИ».

Резиновая крошка (до 10% в составе вяжущего) выступает в роли макрочастиц полимерного компонента и в асфальтобетонах, которые также представляют собой композиционные материалы, выполняет функцию полимерного дисперсно-эластичного армирования.

Комплекс свойств вяжущих БИТРЭК способен обеспечить долговечность асфальтобетонных покрытий. Высокие адгезионные свойства этих материалов придают повышенную водостойкость асфальтобетонам, приводят к сокращению образования в процессе эксплуатации такого вида повреждений покрытий, как выкрашивания.