Вторая жизнь для старых шин – строительство дорог из резиновой крошки

Переработка старых шин для строительства дорог

Вопрос утилизации старых резиновых шин в преддверии зимы стоит особенно остро. Водители начинают готовиться к холодам и «переобувать» транспортные средства. При этом старую изношенную резину зачастую автомобилисты выкидывают на свалки или в места, непредназначенные для такого типа отходов, тем самым загрязняя окружающую среду. Переработка шин решает одновременно две проблемы - экологическую, дающую возможность избежать загрязнения атмосферы, и экономическую в области дорожного строительства. В ходе механической переработки покрышек специалисты получают шинную крошку разных фракций, которая идет на изготовление новых изделий, в том числе асфальтового покрытия. Существует целый ряд фракций резиновой крошки. Для производства модификатора применяется прошедшая контроль качества резиновая крошка фракции 0,50-0,63 мм, полученная в результате переработки изношенных автомобильных шин валковым методом. Также есть фракции 1 мм, 2-3 мм и 4-5 мм. Каждый из видов подходит для разных целей, однако цена реализации резиновой крошки различается несущественно. План развития в этом направлении был разработан на государственном уровне еще в СССР, но претерпел неудачу после его распада.

Первые разговоры о применении асфальтобетонных смесей с полимерными отходами

В 1986 году в СССР Государственный всесоюзный дорожный научно-исследовательский институт «Союздорнии» Министерства транспортного строительства выпустил методические рекомендации на тему применения асфальтобетонных смесей с полимерными отходами промышленности. Предложение поддержал Главдорстрой Минтрансстроя. В выпущенных рекомендациях были отражены преимущества асфальтобетонных смесей, содержащих различные полимерные отходы промышленности - дробленую резину мелкого помола, порошковый каучук, низкомолекулярный каучук и термопластичные полимеры. Также были продемонстрированы особенности проектирования составов смесей и способы введения полимеров в асфальтобетонную смесь с учетом свойств полимеров и особенности технологического цикла приготовления смеси. Ряд доступных полимерных отходов промышленности, которые способствуют повышению качества асфальта, разработчики выбрали с учетом зарубежного опыта. Методы повышения совместимости вулканизованных порошковых полимеров (дробленой резины) с битумом были основаны на термической или химической деструкции резины, способствующие повышению технологичности, удобоукладываемости, уплотняемости асфальтобетонных смесей. Исследователи выяснили, что конструктивные слои из асфальтобетона с дробленой резиной характеризуются большей трещиностойкостью и повышенным сцеплением с шинами автомобиля. Последнее обстоятельство дает возможность снизить содержание щебня в смеси, обеспечивая при этом надлежащие фрикционные свойства покрытия. При этом хорошая совместимость такого материала с битумом и связанная с этим повышенная теплостойкость вяжущего позволяют обеспечить высокий комплекс физико-механических свойств асфальтобетона на мало вязких битумах, а также на битумном сырье и тяжелой нефти. Использование полимерных отходов эффективно для повышения сдвигоустойчивости и коррозионной стойкости асфальта. Не обошли ученые и экологический вопрос, отметив, что рациональное использование полимерных отходов представляет важную проблему для охраны окружающей среды. Экономическая выгода при использовании полимерных материалов в асфальтобетонных смесях 36 лет назад составляла от 5003 до 1500 рублей на 1 км. Тогда же технологи представили возможный «рецепт» приготовления асфальтобетонной смеси с полимерами или олигомерами. В нем было отмечено, что способ введения полимера зависит от ряда факторов: технологии завода, конструкции смесительной установки, наличия дополнительного рабочего котла для смешения полимера с битумом, возможности механизации работ при подаче полимеров. При предварительном объединении с битумом дробленую резину было необходимо вводить порциями в битум, нагретый до 160-170 С, тщательно перемешивать до получения однородной массы. Битумный котел при этом должен был быть оборудован специальным приспособлением для перемешивания полимеров с битумом. При этом порошковые полимеры (резину, каучук) перед введением в битум нагревать необходимости не было. Температура резинобитумной и каучукобитумной смесей в итоге составляла 160-170°С. Приготовленную смесь битума с полимерами необходимо было использовать в течение одной рабочей смены. Битум с добавкой полимера (олигомера) мог использоваться для приготовления асфальтобетонных смесей и устройства поверхностных обработок.

Открытие ученых Института химической физики им. Н.Н. Семёнова АН СССР

Около 40 лет назад в Институте химической физики им. Н.Н. Семёнова АН СССР (в настоящее время Федеральный исследовательский центр химической физики РАН - ФИЦ ХФ РАН) при исследовании пластического течения полимеров в интенсивных силовых полях обнаружили явление множественного растрескивания материалов в температурном интервале предплавления. Оказалось, что измельчать различные материалы при высокой температуре можно при более низких энергозатратах, чем при температуре окружающей среды. При этом получаются тонкодисперсные материалы, по виду напоминающие цветную капусту. Они обладают большей удельной поверхностью, чем материалы, подвергнутые разрушению при отрицательных температурах, частицы которых напоминают битое стекло, а поверхность мала. Это открытие позволило создать отечественную технологию и оборудование для высокотемпературного сдвигового измельчения (соизмельчения) (ВСИ, (ВССИ)) полимеров, полимерных композитов и их отходов.

В 80-х и 90-х годах XX века в Институте исследовали возможность переработки различного материала по методу ВСИ (ВССИ). Исследования провели с применением полиэтилена, полипропилена, полиамида, различных полимерных смесей, волокон клевера, отходов линолеума и даже шелухой гречихи.

Первые лабораторные установки диаметром ротора от 8 до 32 мм спроектировали и изготовили в Институте. С 2005 года производством и модернизацией промышленных установок с диаметром ротора 150-230 мм занялся АО «Энерготекс» в г. Курчатов, Курской области. В 2005-2006 гг. в АО «Энерготекс» изготовили роторные диспергаторы для высокотемпературного сдвигового измельчения резины изношенных шин, которые составили основу промышленной линии получения модификатора «Унирем». Конструкция роторных диспергаторов в то время не позволяла достичь высокого качества переработки резиновой крошки, поэтому в рецептуре модификатора «Унирем» порядка 30 % составляли химические добавки.

В 2007-2008 гг. проект «Унирем» поддержала компания АО «Роснано», Институт осуществлял научную поддержку проекта. Начиная с 2013 года «Роснано» и ее дочерние компании в г. Подольск отказались от сотрудничества с ФИЦ ХФ РАН. К выпускаемому сегодня портфельной компанией «Роснано» ООО «Новые технологии строительства» модификатору «Эладром» Институт отношения не имеет. Также специалисты ФИЦ ХФ РАН не знают, что представляет собой модификатор «Унирем» в настоящее время, который используется при строительстве дорог.

На сайте ООО «Новые технологии строительства» - одного из крупнейших госпредприятий в России по производству модификаторов на основе активного резинового порошка с полимером класса СБС - отмечается, что выпуск модификаторов серии «Эладром» создан на основе открытий российских ученых Института химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН. Ученые связывают это с тем, что ГОСТ Р 55419 разрабатывался для модификаторов, получаемых по методу ВСИ. Многие производители указывают в своей документации, что выпускают модификаторы именно по этой технологии, хотя сегодня трудно представить, что это соответствует действительности.

Сейчас Институт продолжает самостоятельные разработки в этой области в содружестве с АО «Энерготекс». Было осуществлено совершенствование конструкции роторных диспергаторов и метода ВСИ, что привело к созданию порошковых модификаторов серии ПОЛИЭПОР и позволило отказаться от использования всех добавок, за исключением антиагломерирующей, предотвращающей слеживаемость модификатора в процессе хранения и транспортировки. Модификаторы ПОЛИЭПОР выпускаются двух марок: ПОЛИЭПОР-Р получают путем измельчения резины изношенных шин, а ПОЛИЭПОР-РП - соизмельчением резины и блок-сополимеров. Второй вариант применили в ходе строительства международного моста через Амур Благовещенск (РФ, Амурская область) - Хэйхэ (Китай).

Как рассказала порталу «ДорИнфо» старший научный сотрудник лаборатории физико-химии высокодисперсных материалов ФИЦ ХФ РАН Татьяна Владимировна Дударева, являющаяся одним из авторов патента, позволившего создать порошковые модификаторы серии ПОЛИЭПОР, внедрение модификаторов асфальтобетона на основе резины утилизированных шин и резино-битумных вяжущих в РФ происходило также трудно, как и внедрение полимерно-битумных материалов. Ситуация немного облегчилась после введения в 2016-2019 гг. новых стандартов, основанных на американской методологии Superpave, хотя и здесь имеются некоторые проблемы.

В настоящее время в ФИЦ ХФ РАН продолжают исследования. Ведется разработка рецептуры модификатора для регионов с холодным климатом. Разработка модификаторов битума и асфальтобетона путем переработки изношенных шин направлена на решение задач национального проекта «Экология», государственной программы «Охрана окружающей среды» и национального проекта «Безопасные качественные дороги» (2019-2030 гг.).

Резиновая крошка от изношенных шин становится частью модификатора

Портфельная компания «РОСНАНО» - ООО «Новые технологии строительства» наладила выпуск материалов, содержащих в качестве основы активный резиновый порошок, то есть частичек эластичного материала с развитой удельной поверхностью, полученных термомеханическим измельчением. В том числе технология позволяет использовать резиновый порошок, химически активированный пластификатором из возобновляемых источников сырья. Методы могут комбинироваться: полимеры (термопласты и эластомеры), углеводородные высокомолекулярные смолы, а также целевые и функциональные добавки. Для производства модификаторов применяют прошедшую контроль качества резиновую крошку фракции 0,50-0,63 мм, полученную в результате переработки изношенных автомобильных шин валовым методом. Процент содержания резиновой крошки в составе комплексного модификатора составляет до 80 %. Сам модификатор добавляется в количестве около 10 % мас. от количества применяемого битумного вяжущего по рецепту асфальтобетонной смеси.

Как сообщили «ДорИнфо» в пресс-службе АО «Роснано», начиная с 2008 года на основе активного резинового порошка, выпускаемого ООО «НТС», удалось уложить более 40 млн кв. метров дорог. В этом смысле строительство «резиновых» дорог движется активно последние 14 лет. Сложность заключается в негативном мнении ряда строителей и проектировщиков автодорог о возможности применения резины в дорожной отрасли, а также их нежелании применять и испытывать технологии, связанные с вовлечением промышленных отходов. Поводом к этому послужили многочисленные неудачные попытки разных компаний по модификации битумов резиной. Принципиальное отличие технологии «Эладром» в том, что она модифицирует не битум, а асфальтобетонную смесь. При этом необходимость более активного вовлечения вторичного резинового сырья в дорожное строительство давно назрела, и производство комплексных модификаторов со специально подготовленной резиной, а также наличие согласованного с ФДА стандарта на такой модификатор этот шанс дают.

Среди преимуществ применения модификаторов «Эладорм» компания отметила повышение сдвигоустойчивости, устойчивость к колее- и трещинообразованию асфальтобетонных покрытий, повышение водостойкости, ударную прочность при отрицательных температурах, устойчивость к усталостным явлениям. Применение модификаторов увеличивает срок службы автодорог на 35-40 %. Для производства щебеночно-мастичного асфальтобетона отсутствует необходимость ввода стабилизирующих добавок. При этом асфальт с модификатором устраивается по традиционной технологии, а модификатор подается по существующей технологической схеме асфальтобетонного завода вместо стабилизирующей добавки.

Существуют и минусы использования модификатора, содержащего резиновый порошок. Производители столкнулись с трудностями укладки такого материала в северных регионах (в условиях пониженных температур). При этом управляющая команда «Роснано» поддерживает и содействует разработке новых продуктов своих портфельных компаний. Например, испытания нового материала именно для зон с пониженными средними температурами, которые проходят и сейчас. Новый материал включает специальные дополнительные полимеры и пластификаторы, испытания показывают высокую эффективность модификатора, выбросы вредных веществ в окружающую среду не зафиксированы. Его применение позволяет снизить затраты на изготовление 1 тонны асфальтобетонной смеси по сравнению с использованием бутадиен-стирольных термоэластопластов для модификации вяжущего (которые позволяют достичь сопоставимых физико-механических свойств) примерно на 15-20 %, при этом увеличивается срок службы дорог на 35-40 %. Комплексный модификатор содержит в своем составе наряду с шинной крошкой также полимеры вторичного происхождения, что существенно снижает его себестоимость. В компании подчеркнули, что применение модификатора «Эладорм» позволяет рационально решать важнейшую экологическую задачу переработки (утилизации) отходов IV класса опасности - отработанных автошин. В числе приоритетов «Роснано» - создание и внедрение «чистых» технологий, к которым можно отнести существующие на сегодняшний день модификаторы: при укладке 1 км дороги с применением модификатора «Эладорм» утилизируется около 800 отработанных покрышек, что соответствует положениям «Стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 25 января 2018 г. № 84-р.

Отмечается, что при производстве асфальта с добавлением активного резинового порошка и пластиковой дорожной разметки используются родственные, взаимно совместимые компоненты, а именно термопластичные высокомолекулярные углеводородные смолы С5 и С9. Это обеспечивает совместимость этих материалов и улучшает прилипаемость (адгезию) нанесенной разметки к асфальту с модификатором и продлевает срок службы.

Пластиковые дороги в России – тема из области фантазии

Интегрированная нефтегазохимическая компания России ПАО «СИБУР Холдинг» занимается выпуском продукций для общества с активным использованием передовых технологий. В том числе компания занимается производством материала для строительства дорог. В 2021 году представители «СИБУР Холдинга» выступили на конференции «Полимерно-битумные вяжущие: инновации в дорожном строительстве» с анализом свойств асфальтобетонов, произведенных с использованием полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) на основе термоэластопластов (ТЭП) и асфальтобетона с применением резиновой крошки. Современные полимерные материалы необходимы для продления сроков службы полотна. Применение ПБВ увеличивает межремонтные сроки с 3-4 лет до 7-10 лет, значительно повышая трещиностойкость, сдвигоустойчивость, водо- и морозостойкость дороги. При этом цена при использовании ПБВ повышается не более чем на 1 %. Затраты полностью окупаются за 2,5 года эксплуатации такой дороги. В ходе выступления Главный эксперт дирекции синтетических каучуков СИБУРа Алексей Копылов отметил, что асфальтобетоны на ПБВ превосходят асфальтобетоны с резиновой крошкой по всем показателям, в том числе по устойчивости к колееобразованию.

Портал «ДорИнфо» поинтересовался у представителей «СИБУР Холдинг», возможно ли, что развитие технологий позволит в будущем укладывать в России полностью пластиковые дороги. В ответ на это специалисты отметили, что следует различать темы модификации дорожного битума полимерами и строительство дорог из пластика. Сейчас мировой и российский опыт говорит о том, что основным модификатором битума является СБС полимер, мало кто в мире добавляет в битум другие полимеры, тем более полипропилен или полиэтилен. Тут российский рынок полностью и с большим запасом обеспечен СБС полимером разных марок под решение всевозможных задач отрасли: от высоконапряженных трасс до дорог, проходящих в суровых климатических условиях. В России есть универсальный полимер. Что касается строительства пластиковых дорог, то пока эта тема из области фантазии.

«Единственное что есть - это описанный в интернете опыт индусов, шотландцев и, кажется, австралийцев. Нет понятия пластиковых дорог, нет ГОСТов, нет методик для проектирования, нет опытных участков и так далее. То есть, по сути, нет предмета для обсуждения»,

Добавим, в 2023 году материалы на основе переработанных покрышек планируют использовать при строительстве и реконструкции федеральных автодорог на территории Тульской, Орловской, Курской и Белгородской областей. Основным поставщиком модификаторов асфальтобетона для Росавтодора станет портфельная компания «Роснано» - «Новые технологии строительства». Также ожидается расширение применения модификаторов на сети федеральных трасс в рамках меморандума, подписанного Росавтодором и Российским экологическим оператором.