К другим недостаткам низкотемпературного или криогенного измельчения следует отнести тот факт, что образующиеся при данном способе измельчения резиновые частицы имеют слишком гладкую поверхность [57, 76]. Это ухудшает совместимость резиновой крошки с другими полимерами, и в первую очередь, с каучуком. В результате свойства конечного продукта заметно снижаются.

Переработка целых шин при положительных температурах требует многостадийной очистки резиновой крошки от металла и текстиля и наличия оборудования с высокоизносостойкими режущими элементами. Данный способ измельчения также энергоемок [57].

Кроме того, на используемых в Европе линиях типа «Хотлап», «Симс», «Регупласт» и другие, где покрышки подвергаются разрезанию и каскадному разрушению при нормальных температурах, удается получить только грубую резиновую крошку, частицы которой имеют преимущественно тоже гладкую поверхность [57].

Более 30 лет применяется способ термического разложения резины и превращения ее в пластичный девулканизат, но так как процесс получения девулканизата сопровождается выделением большого количества токсичных газов, то данный способ неэкологичен. Кроме того, введение полученного девулканизата в сырую резину заметно ухудшает свойства получаемых изделий.

В 1980-е гг. в ИХФ РАН был разработан метод высокотемпературного сдвигового измельчения (ВСИ), который относится к методам комбинированного воздействия на отработанную покрышку с помощью нагрева, сжатия и сдвига.

Метод ВСИ основан на открытом ранее явлении «реологического взрыва», которое заключается в быстром разрушении и измельчении материала в интенсивном силовом поле.

При помещении твердого полимера или резины в условия интенсивного сжатия и деформации сдвигом происходит множественное растрескивание материала, которое заканчивается быстрым его разрушением и образованием полимерного порошка.

Причем для каждого полимера или полимерного композита наиболее эффективное измельчение с образованием высокодисперсного порошка при минимальных энергозатратах наблюдается в определенном температурном интервале, ширина которого обычно не превышает 20 С. Значение самого температурного интервала зависит от многих факторов, в частности, от типа полимера, наполнителей, пластификаторов. Например, как показано в работе [56], резины рекомендуется измельчать при температурах термоактивированного распада межмолекулярных связей: изопреновые резины – при 150 – 180 С, резины на основе этиленпропиленового каучука – при 210 – 230 и т.д.

Метод высокотемпературного сдвигового измельчения позволяет получать высокодисперсные порошки с размером частиц от 0,03 до 1,5 мм, имеющих развитую поверхность и рыхлую пористую структуру. Необходимо отметить, что при данном способе измельчения, реализуемом в роторном диспергаторе, 5–20 %(масс.) резиновых частиц имеют не рыхлую структуру, а монолитное строение и по форме похожи на частицы, полученные измельчением при криогенных температурах, т.е. возникает необходимость в повторном измельчении частиц с гладкой поверхностью. Другим затруднением при применении метода ВСИ является обязательное предварительное тщательное отделение шинной резины от корда.

Таким образом, несмотря на множество запатентованных решений, наличие в промышленности различных агрегатов для измельчения резин, эффективного, экономичного и надежного оборудования для получения тонкодисперсных порошков из отработанных шин до настоящего времени не создано ни в России, ни за рубежом.

1.2. Способы модифицирования органических вяжущих Самым дешевым и наиболее универсальным материалом для применения в качестве вяжущего при устройстве дорожных покрытий является нефтяной битум, благодаря способности выдерживать без разрушения воздействие низких температур, температурных перепадов, различных деформационных нагрузок.

Битумы – это органические вещества черного или бурого цвета, состоящие из смесей сравнительно высокомолекулярных углеводородов и неметаллических производных, т.е. соединений углеводородов с серой, азотом или кислородом [30, 32, 37, 51, 87].

Однако свойства обычного немодифицированного битума не позволяют получать дорожные покрытия с нужным комплексом свойств, что наиболее сильно проявляется при высоких и пониженных температурах [57, 86, 109].

Практика эксплуатации дорожных покрытий с использованием битумов дорожных вязких марки БНД, изготавливаемых российскими НПЗ, свидетельствует о том, что разрушение покрытия начинается уже в первый год эксплуатации из-за недостаточной способности битумного вяжущего к растяжению, хотя существующие требования к дорожным битумам, сформулированные в ГОСТ 22245, выполняются [86, 109].

Основными причинами разрушения асфальтобетонов в дорожном покрытии являются климатические условия, нагрузки от транспортных потоков, в результате чего происходит старение битума, т.е. он становится хрупким, шелушится и растрескивается.

Наиболее негативным климатическим фактором, воздействующим на дорожное покрытие, является вода, т.к. увлажнение покрытия неизменно приводит к потере прочности [43, 108]:

1) из-за увеличения давления в порах асфальтобетона, в результате чего снижается сдвигоустойчивость;

2) всплывания частиц, приводящего к уменьшению рабочей массы и снижению трения между частицами;

3) пучения дорожных одежд, появляющихся в результате чередования морозов и оттепелей, набухания почвы.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что проблема качества дорожных покрытий в России реально существует и для ее решения недостаточно скорректировать нормативные требования к физико-механическим свойствам дорожных битумов.

Необходимы разработка, внедрение в практику строительства новых материалов на основе битума, способных обеспечить более высокую прочность, долговечность дорожных покрытий по сравнению с принципиальными возможностями нефтяных битумов.

Наиболее эффективные способы создания таких материалов основаны на модификации вяжущего (битума) путем введения в его состав добавок (модификаторов), улучшающих его эксплуатационные свойства [19, 20, 46, 68, 75, 84, 92, 108, 109].

Большой вклад в изучение вопросов придания битумам специфических свойств и использования модифицированных битумов в дорожном строительстве внесли ученые Л.Б.Гезенцвей, Н.В.Горелышев, В.А.Золотарев, А.С.Колбановская, И.В.Королев, А.В.Руденский, И.М.Руденская, В.М.Смирнов и другие [22, 23, 25, 39, 40, 41, 62, 64, 83].

Установлено, что экономически эффективными модификаторами являются те, которые доступны и недороги.

С технической точки зрения для создания на основе битумов композиционных материалов с заданным комплексом свойств могут применяться только те модификаторы, которые [109]:

асфальтобетонной смеси;

2) совместимы с битумом при проведении процесса смешения на обычном оборудовании при температурах, традиционных для приготовления асфальтобетонной смеси;

3) не придают битуму жесткость или ломкость при низких температурах в покрытии, а в летнее время повышают сопротивление битумов в составе дорожного покрытия к воздействию сдвиговых напряжений и при этом не увеличивают вязкость при температурах смешения и укладки;

4) химически и физически стабильны, сохраняют свои свойства при хранении, переработке и в составе дорожного покрытия.

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике дорожного строительства используют в качестве модификаторов битума серу, каучук (полибутадиеновый, натуральный, бутилкаучук, хлоропрен и др.), органо-марганцевые компаунды, термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол, этиленвинилацетат (EVA)), термопластичные каучуки (полиуретан, олефиновые сополимеры, блоксополимеры стирол-бутадиен-стирола (СБС)), целесообразность применения которых в каждом конкретном случае обосновывается с технической и экономической точек зрения, поскольку стоимость модифицированного битума намного превосходит стоимость обычного битума [48, 52, 84, 87, 108, 109].

По данным ЕАРА, за последнее десятилетие во всем мире наблюдается рост потребления модифицированных битумов, используемых для строительства и ремонта дорожных покрытий (рис.

1.1), причем в 2001 г. их доля составила около 7 % [108].

Наиболее используемым в европейских государствах полимером для модификации битума является полимер типа СБС – %, доля потребления которого в некоторых странах достигает 100 % (рис. 1.2). Также широко применяются полиолефины–9 %, EVA–12 %, полибутадиен –14 % [108].

Доля потребления, % Рис. 1.1. Рост потребления модифицированных битумов в различных Рис.1.2. Доля потребления битумов, модифицированных блоксополимерами стирол-бутадиен-стирола (СБС) в некоторых европейских государствах Рост объемов потребления в дорожном строительстве полимеров типа СБС обусловлен двумя причинами: способностью повышать прочность битума и способностью увеличивать эластичность полимерно-битумного вяжущего 108].

В результате при введении небольшого количества полимера типа СБС (3 – 5 % от массы битума) дорожное покрытие приобретает способность к быстрому снятию напряжений, возникающих под действием движущегося транспорта, что позволило успешно применять данный тип модификатора для устройства дорожных покрытий, работающих в особо сложных условиях (на мостах, дорожных развязках и т.д.), обеспечивая длительные сроки работы самого покрытия.

Процесс смешения битума с полимерами любой химической природы, происходящий при высокой температуре, схематично можно представить следующим образом [85, 108]:

1-я стадия – эмульгирование размягченного полимера в жидком битуме;

2-я стадия – последующее частичное (набухание) или полное растворение полимера в битуме.

Глубина процесса диспергирования полимера в битуме зависит от химической природы и молекулярной массы полимера, химического состава битума, от соотношения компонентов в смеси.

Кроме того, выбранный тип полимера для модифицирования битума определяет такую очень важную характеристику, как совместимость с изменяемым вяжущим [27, 85, 108].

Как указывают авторы работы [108], совместимость систем «битум – полимер» может быть определена несколькими путями:

с точки зрения получения определенной морфологии, т.е.

структурной схемы полимерных частиц, цепей или групп в битумной матрице;

с точки зрения термодинамической стабильности, т.е.

необходимо определить, находится ли структура полимерных частиц или цепей в низком энергетическом состоянии, другими словами, существует ли движущая сила для увеличения энтропии;

с точки зрения стабильности хранения на практике, т.е. не разделяются ли исходные компоненты при хранении;

с точки зрения достижения какого-либо заданного свойства или комбинации свойств, которые могут сохраняться значительный период времени (как правило, до момента укладки).

Свойства систем, модифицированных полимерами, зависят от совместимости исходных материалов. Совместимые системы имеют более высокую степень дисперсности [108].

Известно, что система «полимер – битум» при повышенной температуре представляет собой смесь двух жидкостей, различающихся по вязкости.

Процесс смешения этих жидкостей сводится к процессу диспергирования одной жидкости в другую.

Степень дисперсности таких систем при прочих равных условиях определяется соотношением вязкости жидкостей и их взаимной растворимостью [109].

В случае термодинамически несовместимых (нерастворимых или частично растворимых) компонентов степень дисперсности будет зависеть только от соотношения вязкостей и условий перемешивания.

При повышенной температуре полученная смесь будет представлять собой эмульсию (рис. 1. 3) [109].

Если приложить нагрузку к такой системе, то произойдет деформация (вытягивание) капель полимера по направлению действия силы. При повышенном содержании полимера в битуме размер капель увеличивается, что может привести к их коалесценсии (слиянию) и образованию новой фазы в системе (рис. 1.4) [109].

растворимых) компонентов системы на границе раздела фаз происходит взаимодействие компонентов, в результате чего степень дисперсности системы возрастает и образующаяся структура битумных композиций становится гомогенной, оптически однородной, т.е. принципиально отличается от структуры в случае несовместимых систем. Результаты оптических исследований структуры, полученной при введении в битум полимера типа СБС при температуре 175–185 °С, показали, что образуется гомогенная композиция оптически однородная при увеличении в 600 раз [109].

Концентрационный предел взаимной растворимости битума и полимера снижается с увеличением молекулярной массы полимера [109]. При дальнейшем повышении концентрации полимера в битуме происходит образование новой фазы (рис. 1.5) [109].

Рис. 1.3. Микроструктура композиций битума с 1 % масс СКЭПТ-Э- Рис. 1.4. Микроструктура композиций битума с 20 % масс СКЭПТ-Э- Рис. 1.5. Микроструктура композиции битума с 10 % масс ДСТ-30 при 25 °C При охлаждении приготовленного полимерно-битумного материала происходит увеличение вязкости системы, которое препятствует расслоению дисперсной системы, т.е. структура битумов, модифицированных совместимыми полимерами, как правило, сохраняется [108, 109], поэтому совместимые системы имеют более широкий диапазон рабочих температур и более высокое качество.

В случае микро- и макронеоднородных систем их механические свойства определяются свойствами непрерывной фазы. Например, образующий непрерывную фазу полимер, обладающий эластичностью (этилен-пропиленовый каучук, полиэтилен, полипропилен и др.), придает битуму дополнительную эластичность.

Полимер, образующий дисперсную фазу в битуме, увеличивает прочность композиционного материала только за счет наполнения его частицами [46, 109].

Так как стоимость модифициронного битума намного превосходит стоимость самого битума, то в каждом конкретном случае применения модифицированного полимером битума необходимо технико-экономическое обоснование [6, 20, 108, 109].

Поэтому наиболее перспективным направлением является использование отходов полимерных материалов.

Одним из наиболее эффективных способов модификации органических вяжущих является внедрение в них резины в виде резинового порошка.

Основной трудностью при создании резинобитума является растворение резины в органическом вяжущем (битуме, гудроне).

Технологические режимы растворения резины в битуме зависят от типа каучука, входящего в состав резины; состава битума (органического вяжущего); вида пластификаторов; гранулометрии резиновой крошки; времени и температуры смешивания [68, 108].

При термомеханической пластификации резины рекомендуется в качестве пластификаторов использовать поверхностно-активные вещества: сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), смачиватель ОП-7.

В результате совместной термомеханической обработки резины и битума происходит:

1) набухание резины в масляных фракциях битума;

2) ослабление межмолекулярных связей в резине;

3) девулканизация резины (т.е. разрыв по ослабленным связям), в результате чего образующееся каучуковое вещество структурирует битум.

Известно, что с увеличением концентрации каучукового вещества в углеводородной среде растет количество связей между макромолекулами каучука и асфальтенами органического вяжущего, что может привести к образованию сетчатой структуры.

Однако при использовании резиновой крошки приходится учитывать тот факт, что каучук находится в основном в вулканизированном состоянии и даже при самом мелком помоле (менее 1мм) крошка полностью не растворяется в битуме.

В результате взаимодействия битума и частиц резины получается резинобитумная матрица (рис. 1.6) [108], являющая трехфазовой системой, состоящей:

1) из резины;

2) смеси резины и битума (набухшие частицы резины, покрытые гелем);

3) битума.

Данная система содержит крупные агрегаты, называемые центрами эластичности, которые мало влияют на эластичность и упругость вяжущего [68]. Механизм работы этой системы аналогичен работе системы «полимер – битум».

Исследования показывают, что основной эффект использования резиновой крошки заключается в увеличении вязкости и улучшении термической чувствительности.

На рис. 1.7 графически показана зависимость Е=Е (t), где Е модуль упругости, МПа;

t – температура, С;

Ер – модуль упругости битума, модифицированного резиной, МПа;

Еб – модуль упругости немодифицированного битума, МПа.

При низких температурах резинобитум намного эластичнее немодифицированного битума, т.к. модуль упругости резинобитума немодифицированного битума Ер>Еб, следовательно, модифицированное вяжущее более жесткое.

Е, МПа Рис. 1.7. Влияние температуры на модуль упругости вяжущих Температура Рис. 1.8. Свойства вяжущих: 1 битум с пенетрацией П25=120; 2-резинобитум, приготовленный на основе битума с пенетрацией 120 П25=120 и 15 % резиновой крошки; 3 битум с пенетрацией 80 П25=80; 4 резинобитум, приготовленный на основе битума с пенетрацией 80 П25=80 и 15 % резиновой крошки; 5 гудрон с пенетрацией П25=300 и П0=99; 6 гудрон с пенетрацией П25=300, П0=99 и с 20 % резиновой крошки; гудрон с пенетрацией П25= пенетрацией П25=300, П0=250 и с 20 % резиновой крошки Точка перенесения кривых Ер(t) и Еб(t) показывает идентичность свойств модифицированного и немодифицированного вяжущих при данной температуре.

На рис. 1.8 приведены температура размягчения по кольцу и шару, температура хрупкости по Фраасу и интервал пластичности различных вяжущих [68, 108].

Сравнительный анализ этих характеристик позволяет сделать вывод, что вяжущие, полученные с добавлением резиновой крошки, менее хрупки при отрицательных температурах (т.к. имеют более низкую температуру хрупкости) и менее подвержены деформациям при высоких температурах (т.к. имеют более высокую температуру размягчения), т.е. более устойчивы к неблагоприятным погодным условиям.

В работах [19, 20] приводятся результаты исследований асфальтобетонных покрытий на дорожном битуме марки БНД 60/90 и битуме, модифицированном резиновой крошкой в количестве 9 % от общей массы битума, с частицами резины размером 0,8 – 1 мм.

Анализ свойств модифицированного и немодифицированного вяжущих показал:

1) резинобитумное вяжущее имело более низкий индекс пенетрации, что свидетельствует об увеличении вязкости системы;

2) температура размягчения резинобитумного вяжущего выше, чем у исходного битума;

3) резиновая крошка улучшает адгезионные свойства битума.

На основе полученных вяжущих были спроектированы асфальтобетонные смеси марки Б для дорог II категории в условиях III дорожно-климатической зоны. Испытания показали [20]:

1) трещиностойкость образцов асфальтобетона с модифицированным битумом выросла на 15 – 20 %;

2) значения прочностных показателей образцов асфальтобетона на основе резинобитумного вяжущего при 50 С в 1,5 -2,5 раза превышают значения ГОСТа;

3) морозостойкость образцов асфальтобетона на основе резинобитумного вяжущего увеличилась на 5 –10 % по сравнению с образцами стандартной технологии;

4) использование битума, модифицированного резиновой крошкой, позволяет сократить содержание битума в смеси на 2 –3 % без потери эксплуатационных свойств.

Многочисленными исследованиями установлено, что свойства резинобитумных композиций в значительной мере зависят от состояния поверхности резиновой крошки, которое определяется способом измельчения резины [57, 68, 76, 109]. Доказано, что чем более развита поверхность частиц, т.е. чем больше удельная поверхность резиновой крошки, тем она более химически активна.

Это проявляется в более быстром набухании частиц резиновой крошки в углеводородной среде.

Таким образом, для получения высококачественного органического вяжущего на основе резиносодержащих отходов необходимо получение из резиновой крошки как можно более высокой тонкости помола резинового порошка с более рыхлой структурой поверхности частиц.

1.3. Способы ввода резины в асфальтобетон В нашей стране исследования по введению резиновой крошки в дорожный битум и битумоминеральные смеси проводились Н.В.

Горелышевым, А.И. Лысихиной, Г.К. Сюньи, И.М. Руденской, Б.М.

Слепой, Б.Г. Печеным, Л.Б. Гезенцвеем, В.С. Прокопцом и другими исследователями.

Были разработаны два основных направления использования резиновой крошки: технологические схемы «сухого» введения частиц резины в асфальтобетонные смеси и «мокрого» метода добавления резиновой крошки непосредственно в дорожный битум.

«Сухие» способы введения частиц резины в асфальтобетонные смеси являются наиболее простыми и низкозатратными. Основной недостаток заключается в постепенном набухании резиновой крошки, вследствие чего покрытие разуплотняется и разрушается, а крошка выкрашивается.

«Мокрые» методы основаны на разложении и девулканизации резины в битумах. Основными недостатками являются: выброс токсичных веществ, содержащихся в резине; снижение адгезии вяжущего, сдвиговых показателей асфальтобетона и его водостойкости; необходимость использования дорогостоящих добавок и дополнительного специального оборудования.

Отечественные и зарубежные исследования показывают, что для повышения физико-механических свойств дорожного асфальтобетона при любой схеме введения резиновых частиц необходимо тонкое измельчение резины.

Известно, что даже при самом мелком измельчении резины (например, до размера 1 мм и менее), крошка не растворяется в битуме, а находится в нём в виде частично набухшей дисперсии [21, 66, 68, 73, 74]. Она не образует однородной эластичной структурной сетки в объёме вяжущего, так как вулканизированный каучук распределён не в виде макромолекул между мицеллами битума, а в виде крупных агрегатов или “центров эластичности”, мало влияющих на упругость и эластичность вяжущего.

Более полное проявление свойств резины можно достичь путём деструкции её структуры, т.е. разрывом вулканизирующих связей и получением исходного каучука в виде развёрнутых, не связанных друг с другом отдельных молекул. Затем, после распределения каучука на молекулярном уровне в среде вяжущего, повторно сшить его вулканизацией.

В свою очередь, известно, что активация процесса деструкции (разрушения) состоит в генерировании свободных радикалов при механическом обрыве макромолекул [1, 13, 35, 36, 38, 53, 63, 72, 77, 82, 99, 101, 112]. Энергия, необходимая для этого, равна энергии образования свободных радикалов, затраченной при разрыве цепей, которая, как известно, может быть существенно меньше полной энергии связи [49].

В данном случае таким источником может быть механическое воздействие. [1, 8, 47]. Для резин это имеет практическое значение главным образом в случае механической активации химической деструкции. Современные способы механического измельчения резин представлены в табл. 1.2.

Анализ закономерности развития систем измельчающих машин, выполненный в НИИцементе В.И.Акуновым, показал, что, несмотря на высокое системное совершенство семейства мельниц с мелющими телами, их дальнейшее развитие исчерпало себя полностью. В связи с этим возникла необходимость перехода к новому, более экономичному и эффективному методу измельчения.

Способы механического измельчения резины 1968г.

Иглофреза Авт. свид.

№ 1968г.

Двузубые дисковые Авт. свид.

№ 1977г.

Наклонные ножи Авт. свид.

СССР № 1981г.

Одним из таких методов является использование скоростных ударно-многократных силовых нагрузок, реализуемых в дезинтеграторах [2, 44].

Основными преимуществами дезинтеграторных установок по сравнению с известным измельчающим оборудованием являются следующие [65]:

- при относительно низких энергозатратах образуются тонкодисперсные порошки, в которых фракция со средним диаметром частиц 0,1-0,2 мм составляет 60–70 % (при криогенном измельчении);

- форма частиц резиновой крошки обеспечивает хорошую текучесть таких порошков;

- в результате дезинтеграции происходит так называемая активация частиц, включающая ряд эффектов: образование статического заряда, влияющего на упаковку молекул при вторичной переработке; образование активных свободных радикалов; образование ювенальной поверхности макрочастиц, улучшающей их когезию.

Последними работами, выполненными в МАДИ, доказывается улучшение свойств асфальтобетона при «сухом» способе введения резиновой крошки [67]. В то же время, как отмечается в работе [56], многие виды резин не поддаются эффективному измельчению без охлаждения при использовании штатного комплекта пальцевых и лопастных роторов.

Исследованиями, проведенными в СибАДИ под руководством проф. В.С. Прокопца [58, 65, 71], установлено, что для достижения удовлетворительного качества измельчения резиновой крошки необходимо использование специальной конфигурации бил дезинтегратора. Повторное измельчение резинового порошка в дезинтеграторной установке не приводит к заметному увеличению тонкости помола. Это объясняется возникшими электростатическими полями, приведшими к коагуляции мельчайших частиц резины.

Поэтому было предложено произвести измельчение резиновой крошки в присутствии добавки ПАВ. Экспериментальные исследования по использованию отхода завода моющих средств в качестве гидрофильной добавки ПАВ показало, что тонкость помола резиновой крошки увеличивается [58, 97].

Таким образом, основными недостатками данного способа получения тонкоизмельченного резинового порошка для последующего ввода в асфальтобетонную смесь являются:

– значительное усложнение технологического процесса;

– использование специального технологического оборудования (особой клиновидной конфигурации измельчающего элемента);

– возникновение процессов коагуляции мельчайших частиц резины, препятствующих получению тонкодисперсных резиновых порошков;

– налипание резины на измельчающие элементы-билы дезинтеграторной установки.

Можно предположить, что измельчение и активация резиновой крошки в дезинтеграторной установке совместно с абразивным компонентом механоактивированный порошок, введение которого в асфальтобетонную смесь будет способствовать повышению физикомеханических показателей асфальтобетона [32].

Использование в качестве такого компонента песка позволит получить механоактивированный резинопесчаный порошок с еще более разветвленной, губчатой поверхностью технологического процесса, что особенно важно для применения в промышленности.

Таким образом, в настоящее время актуальны теоретические и практические исследования в области дальнейшего совершенствования способов измельчения резиновой крошки в аппаратах ударного принципа действия с целью преодоления недостатков существующих методов и последующего использования для повышения качества асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог.

модифицированных полимерами. Анализ научно-технической литературы свидетельствует, что подобное вяжущее не позволяет значительно повысить физико-механические свойства дорожных композиционных материалов.

Наиболее перспективным методом управления свойствами вяжущего может являться способ, заключающийся в воздействии на нефтяные битумы резиновой крошкой. В свою очередь, резиновая крошка должна обладать свойствами, которые позволили бы ей эффективно осуществлять подобное воздействие.

Большое число проводимых исследований, научных публикаций в России и за рубежом свидетельствуют о больших трудностях в решении проблемы использования, переработки и утилизации старых автопокрышек. Наиболее актуальной областью применения отработанных автомобильных покрышек является дорожное строительство.

В то же время существует ряд проблем, препятствующих широкому применению резиновой крошки. Основной трудностью в технологии изготовления органических вяжущих с использованием резиновой крошки является создание условий для эффективной девулканизации изношенных шин и последующего образования каучукового вещества, которое структурирует битумное сырье.

Литературные источники указывают на высокую энергоемкость существующих способов растворения резиновой крошки из отработанных автопокрышек в органических материалах.

Одним из путей решения проблемы является применение механоактивации материалов.

Анализ современных измельчающих аппаратов позволяет рассматривать дезинтеграторную технологию как одну из самых перспективных, важнейшее преимущество которой заключается в наименьшей энергоемкости процесса, получении резиновых частиц с развитой губчатой поверхностью.

Однако при этом требуется использование специального технологического оборудования (клиновидной формы бил), значительное усложнение технологического процесса, в частности, использование гидрофильной добавки ПАВ с целью уменьшения процессов коагуляции мельчайших частиц резины, наблюдается значительное налипание резины на измельчающие органы, что препятствует получению тонкодисперсных резиновых порошков.

Использование абразивного компонента для совместного измельчения с резиновой крошкой позволит применить стандартное технологическое оборудование (цилиндрические билы), решить проблему налипания резины на измельчающие элементы за счет самоочищения в процессе помола.

Дополнительные ударные и истирающие воздействия со стороны песка позволят получить сильноразветвленную губчатую поверхность резиновых частиц, повысить тонкость помола резинового порошка.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ

АКТИВАЦИИ РЕЗИНОВОЙ КРОШКИ В ДЕЗИНТЕГРАТОРЕ

Это позволило выдвинуть гипотезу, заключающуюся в разработке способа получения механоактивированных порошков на основе резины путем совместного измельчения резиновой крошки с абразивным компонентом для последующего введения в асфальтобетонную смесь с целью улучшения его физикомеханических свойств. Использование абразивного компонента (песка) для увеличения дисперсности резинопесчаного порошка за счет уменьшения процесса коагуляции мельчайших резиновых частиц также снизит налипание резины на билы в процессе помола вследствие очищения их частицами песка.

Были поставлены следующие задачи [32] теоретических исследований:

конструктивных параметров измельчителя ударно-скоростного принципа действия и свойств исходных материалов на характеристики получаемого порошка;

высокодисперсного порошка на основе резины путем совместного измельчения резиновой крошки и абразивного компонента в аппаратах ударно-скоростного принципа действия.

Эти вопросы подробно рассмотрены в работе [33].

Основная задача экспериментальных исследований по применению техногенного сырья (резинового порошка) в составе асфальтобетона - изучение влияния механоактивированной резинопесчаной смеси на эксплуатационные характеристики асфальтобетона (предел прочности при сжатии, водостойкость при длительном водонасыщении).

Результаты теоретических исследований процесса измельчения материала, приведенные ниже, позволили обосновать способ совместного помола и механоактивации резиновой крошки с песком в установках ударного принципа действия (дезинтеграторы и др.) с целью повышения физико-механических свойств асфальтобетона [33].

2.1. Разрывные напряжения и долговечность материалов В настоящее время расчет на прочность элементов в машинах и механизмах осуществляется исходя из теории предельных напряжений с учетом коэффициентов запаса.

В то же время все теории прочности можно разделить на два больших класса: теории предельного состояния и кинетические теории механического разрушения.

Концепция теорий предельного состояния базируется на том, что если величина усилия меньше предельного допускаемого, то конструкция не разрушается и будет сохраняться целой сколь угодно долго. Если же нагрузка достигает предела прочности или превосходит его, то конструкция теряет устойчивость и разрушается.

Величине предела прочности придается смысл физической константы данного твердого тела, которая определяет условия наступления разрыва.

Найдем динамическое разрушающее напряжение при ударе дин.Примем допущение, что в мельницах ударного принципа действия разрушение материала происходит при возникновении напряжений, больших предела прочности материала.

Значения коэффициентов a, b, c для некоторых материалов Жесткая резина из бутадиеннитрильного каучука Все теории предельного состояния направлены на отыскание в качестве критериев разрушения тех критических предельных условий, при достижении которых должно происходить разрушение.

Кинетические теории механического разрушения базируются на временной и температурной зависимости прочности твердых тел.

Разрушение материала рассматривается как развивающийся во времени процесс.

Многочисленные эксперименты с различными материалами дают возможность предложить для нахождения долговечности (времени разрушения) формулу[33]:

a, b, c – положительные постоянные величины при данной где температуре;

П – предел пропорциональности данного материала по теории предельного состояния.

Значения коэффициентов a, b, c для некоторых материалов найдены и приведены в табл. 2.1.

В кинетической теории прочности принимается, что разрушающие напряжения линейно зависят от температуры Т.

Рис. 2.1. Время разрушения от разрушающего напряжения s при температурах: Т1=291 К; Т2=373 К, Т3=573 К; Т4=923 К Тогда (2.1) можно записать [33]:

Тком комнатная температура, равная 293 К (20 С);

где Тпл–температура плавления;

Пком –предел пропорциональности при комнатной температуре.

Формула (2.2) позволяет находить время разрушения в зависимости от напряжения, температуры и свойств материала Тпл.

График зависимости времени разрушения от разрушающего напряжения при различных температурах приведен на рис. 2.1.

С другой стороны, при взаимодействии частицы с билом частицу радиусом r можно рассматривать как упругую систему, которая совершает колебания.

Тогда с учетом (2.2) получаем уравнение [33]:

где Т – температура при ударе;

– динамические разрушающие напряжения при ударе; = дин.

Используя средства компьютерной алгебры MathCad, Maple, символьно-графическим способом определяется дин и значение эффективной энергии активации Uф [66, 69], где а – локальные напряжения, действующие непосредственно на межатомные связи в отдельных местах тела при статической нагрузке) для определения эффективной энергии активации Uф материала при помоле в дезинтеграторе [66, 69];

x(t) – временной коэффициент. При времени удара t, стремящемуся к бесконечности, функция x(t) стремится к единице [66, 69];

Y– коэффициент, учитывающий потери энергии при измельчении материала в дезинтеграторе [66, 69].

Значение коэффициента x(t ) Y дин а для некоторых материалов зависят от температуры, но существенно зависят от материала измельчаемого вещества. Для резины этот показатель на порядок отличается от других материалов.

2.2. Критерий интенсивности измельчения материала Анализ процесса измельчения минеральных материалов в установках ударного принципа действия показал, что наряду с общими закономерностями его протекания существуют особенности, определяемые свойствами материала, характеристиками измельчающего устройства.

В работе [33] получен показатель KI (критерий интенсивности измельчения материала), связывающий характеристики дезинтегратора, исходные свойства материала и степень измельчения.

KI введен как отношение максимальной площади F возможного разрушения силой P при напряжении, равном динамическому пределу прочности, к среднему сечению частицы l2 :

Для разрушения частицы необходимо выполнение условия где аХ –ускорение центра масс частицы в проекции на ось х;

дин –минимальное динамическое разрушающее напряжение при ударе.

Дифференциальное уравнение движения центра масс частицы при ударе будет иметь вид (расчетная схема приведена на рис. 2.2):

С другой стороны, рассматривая частицу массой m как упругую систему и проведя ряд преобразований, уравнение (2.6) можно записать в виде где х – деформация (смещение центра масс частицы в сторону била);

Е – модуль упругости.

Общее решение уравнения (2.7) имеет вид где с1 и с2 – постоянные интегрирования.

Из (2.8) максимальное значение ускорения, соответствующее максимальному значению силы при ударе, равно где k1 – косинус угла падения (угол между нормалью к поверхности била и направлением вектора скорости v подлета частицы).

Из (2.5) с учетом (2.9) получим где KI – безразмерный критерий интенсивности разрушения частицы;

– плотность материала частицы;

k – коэффициент, зависящий от конструкции (конфигурации билов, их количества, скорости вращения роторов относительно друг друга, среднего угла удара частиц о Если принять k =1 для ДУ с цилиндрическими билами, то для ДУ с билами, имеющими на рабочей стороне срез k =1,2, а для ДУ, имеющей билы с ножевыми рассекателями, k =1,5 [33].

Выразив из формулы (2.10) линейную скорость v через угловую скорость вращения ротора и его радиус R и проведя ряд преобразований, получим KI как функцию конструктивных параметров ДУ и параметров измельчаемого материала R – радиус окружности ротора, на котором закреплены билы;

где k2 – коэффициент, учитывающий отличие линейной скорости соударения частицы с билом от линейной скорости била и зависящий от разности скоростей соседних рядов бил;

n – количество оборотов в минуту ротора, на котором закреплены билы.

Из выражений (2.10), (2.11) следует, что интенсивное разрушение частиц будет наступать при достижении критерием KI определенного значения. При меньших значениях измельчение материала будет недостаточным, а при больших – измельчение наступит не в конце цикла прохождения материала через дезинтегратор, а раньше, т.е. потребуется дополнительная энергия для завершения цикла прохождения уже измельченного материала через дезинтегратор.

Расчетные значения KI для некоторых строительных материалов при однократном измельчении в дезинтеграторе УИС-2У Примечание. Билы с ножевыми рассекателями.

В табл.2.3 приведены значения KI для резины, песка и цемента [33], измельченных в ДУ марки УИС-2У с пятью рядами цилиндрических бил.

Суммарное значение критерия интенсивности измельчения для песка KIсум в 7–10 раз больше, чем KIсум для резины. После измельчения песка процент прохождения порошка через сито с размером ячейки 0,08 мм составляет 45 %, а резина практически не измельчается.

Таким образом, критерий интенсивности измельчения KI и дисперсность получаемого материала являются функцией конструктивных параметров ДУ (v, R, k), параметров измельчаемого материала (E, дин, ), технологических особенностей (количество проходов измельчения). Критерий KI позволяет проектировать дезинтеграторы с оптимальными параметрами для измельчения конкретного материала.

2.3. Затраты энергии на измельчение материала Практика измельчения материалов в дезинтеграторе показывает, что степень измельчения функционально зависит от свойств материала.

Найдем кинетическую энергию Т, необходимую для достижения определенного значения величины критерия интенсивности измельчения материала КI [32].

где V – объем частицы;

Т–кинетическая энергия, необходимая для достижения определенного значения критерием интенсивности измельчения материала КI.

Из уравнения (2.12) получим где µ – постоянная для данного измельчителя и материала величина.

Пусть значение суммарного критерия интенсивности измельчения KI1 достигается при затрате кинетической энергии T1, а значение суммарного критерия интенсивности измельчения KI2 – при затрате кинетической энергии T2. Тогда Из формулы (2.13), (2.14) видно, что затраты кинетической энергии для измельчения материала с заданными свойствами пропорциональны квадрату критерия интенсивности измельчения КI, т.е. для получения высокодисперсного порошка путем многократного помола резиновой крошки требуется значительное количество энергии (рис. 2.3).

Кинетическая энергия Рис. 2.3. Зависимость кинетической энергии Т от суммарного критерия интенсивности измельчения KI 2.4. Степень активации материала при измельчении в зависимости от критерия интенсивности измельчения КI При измельчении материала происходит его активация, которая существенно изменяет свойства материала, его активность при взаимодействии с другими материалами. Используя формулу эффективной энергии активации материала Uф [66, 69] при помоле в дезинтеграторе, после несложных преобразований получим величину Dk, характеризующую убывание энергии активации разрушения материала в результате измельчения [33]:

где Dk – декремент активации материала;

Uф – эффективная энергия активации;

U0 – энергия активации разрушения материала;

Nц – количество ударов бил дезинтегратора на измельчаемый материал;

t0 – период одного цикла;

ц – время протекания кинетической реакции в материале;

R – газовая постоянная;

Rp – предел прочности материала при растяжении;

r – радиус обрабатываемой частицы;

Т – абсолютная температура частицы при ударе;

S – S(r) – удельная поверхность;

V0 –скорость частицы до удара, т.е. скорость частицы, приобретенная при столкновении с внешним ротором дезинтегратора;

V1–скорость частицы, приобретенная при столкновении с внутренним ротором дезинтегратора;

D – коэффициент перенапряжения.

Связь между декрементом активации материала Dk и эффективной энергией активации разрушения материала Uф будет иметь вид Dk пропорционален квадрату суммарного критерия где интенсивности измельчения материала КI по формуле (2.15).

Анализ полученных аналитических и графических зависимостей кинетической энергии от КI (рис. 2.3), экспериментальных зависимостей свойств измельченного песка и резины (рис. 2.4, 2.5) позволяет сделать выводы:

1) для получения песка и резины одинаковой крупности необходимы затраты энергии для измельчения резины значительно большие, чем для песка;

2) с увеличением величины Dk в результате помола получается порошок более активированный [31, 33].

Из табл. 2.3 видно, что суммарный при одном проходе резиновой крошки через дезинтегратор критерий интенсивности измельчения KI в несколько раз меньше, чем для других материалов.

При таком низком KI невозможно получить обычным способом необходимое измельчение.

Рис. 2.4. Зависимость параметров песка при 4-кратном помоле от суммарного критерия интенсивности измельчения KI: а) модуль крупности Mk(KI); б) проход через сито 008, Рис. 2.5. Зависимость параметров резины при 2-кратном помоле от суммарного критерия интенсивности измельчения KI: а) модуль крупности Mk(KI ); б) проход через сито 015, N Декремент активации для резины, характеризующий степень активации,еще больше отличается от декремента активации других материалов, т.к. он пропорционален квадрату KI.

Увеличение значений KI и Dk за счет повышения скорости вращения роторов или увеличения количества рядов бил связано с конструктивными трудностями.

В работах Хинта [102-105] отмечается, что активация материала зависит не только от степени измельчения, но и от материала, с которым сталкиваются частицы измельчаемого вещества.

На основании вышеизложенного был предложен способ измельчения резиновой крошки совместно с песком.

Использование абразивного компонента (песка) позволяет:

- значительно уменьшить коагуляцию мельчайших резиновых частиц, что увеличивает дисперсность резинопесчаного порошка;

- исключить налипание резины на билы в процессе помола вследствие очищения их частицами песка;

- обеспечить дополнительное ударное и истирающее воздействие частиц песка на резиновую крошку, что упрощает технологическое оборудование за счет отказа от применения бил специальной клиновидной формы и использования взамен измельчающих элементов стандартной цилиндрической конфигурации.

В итоге, предложенный метод значительно снизит энергозатраты, необходимые для получения тонкодисперсных резиновых порошков, а следовательно, и стоимость асфальтобетонов с добавками этих порошков.

1. В результате теоретических исследований процессов измельчения и активации материалов в дезинтеграторных установках:

а) предложен способ определения коэффициентов x (t ) Y в формуле эффективной энергии активации Uф материала;

интенсивности измельчения частицы KI, который эффективно отражает качество измельчения материала;

связывает конструктивные параметры (v, R, k1, k2) дезинтегратора, параметры измельчаемого материала (E, дин, ), технологические особенности (количество проходов измельчения) с дисперсностью измельчения материала;

в) найдена связь между затратами кинетической энергии для измельчения материала с заданными свойствами и суммарным критерием интенсивности измельчения КI;

г) установлено, что величина суммарного критерия пропорциональна корню квадратному из кинетической энергии, необходимой для измельчения материала;

д) получен декремент активации, характеризующий степень активации материала, пропорциональный квадрату KI.

2. Применение полученных теоретических результатов позволяет:

обуславливающий получение высокодисперсных порошков с целью улучшения физико-механических и последующих эксплуатационных свойств материала;

параметрами для измельчения конкретного материала.

Полученные значения KI и Dk для резины позволяют сделать вывод о недостаточной эффективности измельчения резиновой крошки в дезинтеграторной установке.

4. Предложен способ совместного измельчения резиновой крошки с песком для получения механоактивированного резинопесчаного порошка для последующего использования в асфальтобетонной смеси с целью улучшения физико-механических свойств асфальтобетона.

5. Предложенный способ совместного измельчения резиновой крошки с песком позволит:

а) значительно уменьшить коагуляцию мельчайших резиновых частиц, что увеличит дисперсность резинопесчаного б) исключить налипание резины на билы в процессе помола вследствие очищения их частицами песка;

в) упростить технологическое оборудование за счет отказа от применения бил специальной клиновидной формы и стандартной цилиндрической конфигурации;

тонкодисперсного механоактивированного порошка на д) снизить энергозатраты, необходимые для получения тонкодисперсных резиновых порошков.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

АСФАЛЬТОБЕТОНА С ДОБАВЛЕНИЕМ

МЕХАНОАКТИВИРОВАННОЙ РЕЗИНОВОЙ КРОШКИ

При решении задачи применения техногенного сырья (резинового порошка) в составе органического вяжущего с помощью механоактивационного воздействия измельчителя-дезинтегратора необходимо предварительное исследование свойств исходных материалов.

Химические, физические свойства песка и гранулометрический составы песка и щебня приведены в табл. 3.1-3.4.

Физические свойства песка р. Иртыша и щебня При приготовлении асфальтовяжущего был использован битум БНД 60/90 Омского НПЗ ( табл. 3.5).

Резиновая крошка является отходом производства шинного завода г. Омска и представляет собой порошок черного цвета с плотностью 0,7 т/м3 и насыпной массой 1,905 т/м3. Температура воспламенения 320 оС, температура самовоспламенения 396 оС.

Характеристика и гранулометрический состав резиновой крошки Омского шинного завода приведены в табл. 3.6 - 3.7.

ситах