Содержание
Введение
Глава 1. Основные направления использования резиновой крошки
1.1 Методы переработки и утилизации резиновых отходов
1.1.1 Химические методы
1.1.1.1 Сжигание
1.1.1.2 Пиролиз
1.1.2 Физические методы переработки и получения резиновой крошки
1.1.2.1 Восстановление шин
1.1.2.2 Низкотемпературная технология утилизации
1.1.2.3 Бародеструкционная технология
1.1.2.4 Полностью механическая переработка
1.1.2.5 Озонная переработка изношенных шин
1.2 Возможные направления использования резиновой крошки
1.3 Модификация резиновой крошки
1.3.1 Химические методы модификации
1.3.2 Физические методы модификации
1.3.2.1 Механоактивация резиновой крошки
1.4 Опыт применения резиновой крошки в дорожном строительстве
1.4.1 Модификация битума резиновой крошкой
Глава 2. Основные параметры и типы асфальтобетонной смеси
2.1 Асфальтобетонные смеси
2.1.1 Технические требования
2.2 Требования к материалам
2.2.1 Требования к наполнителям
2.2.2 Требования к битумам
Глава 3 объекты и методы исследования
3.1 Характеристика исходного сырья
3.1.1 Характеристики резиновой крошки
3.2 Приготовление образцов
3.2.1 Отбор проб и приготовление смесей в лаборатории
3.2.2 Контрольные образцы асфальтобетонных смесей
3.2.2.1 Формы и размеры образцов
3.2.2.2 Требования к формам
3.3 Методы определения физико-механических свойств материалов
3.3.1 Определение предела прочности при сжатии
3.3.2 Определение предела прочности на растяжение при расколе
3.3.3 Определение средней плотности уплотненного материала
3.3.4 Определение средней плотности минеральной части
3.3.5 Определение истинной плотности минеральной части
3.3.6 Определение пористости минеральной части
3.3.7 Определение остаточной пористости
3.3.8 Определение водонасыщения
Глава 4. Разработка состава асфальтобетонной смеси на основе битума с резиновой крошкой
4.1 Изготовление образцов из смесей
4.2 Исследования физико-механических показателей асфальтобетонных образцов
4.3 Обсуждение результатов
Глава 5. Разработка технологии производства модифицированных асфальтобетонов с использованием разработанного материала
5.1 Характеристика дорожно-климатической зоны
5.2 Общие сведения по нормативному расчету конструкции
5.3 Рекомендуемая конструкция дорожной одежды
5.3.1 Расчет конструкции на прочность
5.3.1.2 Расчет конструкции по условию сдигоустойчивости в грунте
5.3.1.3 Расчет конструкции на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению от растяжения при изгибе
5.3.2 Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость
5.4 Технико-экономическое сравнение
5.5 Экономический расчет
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Значительное количество неиспользуемых для регенерации старых автомобильных шин и перспективы развития мощностей по измельчению резины создают предпосылки для широкого использования вулканизованной измельченной резины в дорожном строительстве для повышения эксплуатационных свойств асфальтобетонных покрытий.
Установлено, что использование в уплотняемом горячем и литом асфальтобетоне измельченной резины приводит к повышению долговечности покрытий в условиях изменяющегося температурно-влажностного режима, улучшает фрикционные свойства покрытий; что позволяет в ряде случаев уменьшить расход высокопрочного щебня.
Улучшить условия работы дорожных одежд возможно, устраивая конструктивные слои из асфальтобетонных смесей, содержащих измельченную резину. В этом случае снижаются динамические воздействия на нижележащие слои и уменьшается возможность копирования трещин и других дефектов перекрываемых слоев [1].
Чтобы получить наибольшие плотность и прочность горячего асфальтобетона, рекомендуется применять резиновую крошку, содержащую не менее 80% частиц размером мельче 0,63 мм. На свойства литого асфальтобетона размер зерен дробленой резины влияет в меньшей степени [1].
Утилизация отходов на сегодняшний день одна из самых важных проблем и для промышленных предприятий и для экологических организаций. В России ежегодно выходят из строя более 1 млн. тонн шин и других резинотехнических изделий. Уровень потребления отходов за последние 5 лет увеличился незначительно и составляет не более 15% от всего сбора, причем рециклингу подвергается всего 2%. Прирост объема изношенных шин составляет около 3% в год [2].
Предлагаются и разрабатываются различные стратегии рециклинга полимерных отходов, среди которых наибольший прогресс достигнут в механической и химической переработке. Механическая переработка (измельчение) позволяет сохранить свойства исходных материалов и дает возможность перерабатывать их в новые изделия или использовать в составе различных композиционных материалов.
Измельчение (дробление) резиновых отходов считают наиболее эффективным методом их переработки, поскольку в этом случае в продуктах переработки сохраняются физические свойства резины.
С другой стороны, в России для нужд строительной индустрии производятся миллионы тонн нефтяных битумов и гудронов. Из-за отсутствия однородного сырья для их производства, устаревшего оборудования, повсеместных нарушений норм технологического процесса в большинстве своем они не соответствуют современным требованиям к вяжущим и герметизирующим материалам для строительной, дорожной и жилищно-коммунальной отраслей. Фактически, при явной топливной направленности отечественной нефтепереработки, выпускаемые по неизменному остаточному принципу, битумные вяжущие материалы являются ее отходами. Поэтому важнейшей задачей модификации таких битумов и гудронов становится исправление не только физико-механических, но и химических свойств.
Одним из важнейших направлений повышения долговечности и качества таких материалов стало введение в их состав различного рода добавок, позволяющих улучшить присущие битумам и гудронам свойства, и модифицировать их в необходимом для практики направлении. И одними из распространенных добавок являются резины, каучуки и термоэластопласты, которые улучшают пластоэластические, морозостойкие и др. свойства битумов.
Особенно актуальным является использование модифицированных битумных материалов повышенного качества при строительстве и ремонте дорог с асфальтобетонными покрытиями в районах с суровым континентальным климатом и низкими зимними температурами. Использование битумов, модифицированных каучуками в количестве 2-4%, позволяет повысить деформативную способность асфальтобетона при низких температурах в 3-5 раз, что очень важно в условиях Крайнего Севера [3].
В данной работе показана область применения асфальтобетонных смесей, приготовленных с использованием резиновой крошки. Приведены требования к исходным минеральным материалам, гудрону и резиновой крошке, составам уплотняемых и литых асфальтобетонных смесей, а также к асфальтобетонам.
Цель: Разработать и рассчитать конструкцию дорожного полотна с применением резиновой крошки в покрытии.
Задачи:
1. Провести анализ проблем утилизации изношенных шин и применения резиновой крошки;
2. Разработать состав новой асфальтобетонной смеси с применением резиновой крошки;
3. Рассчитать конструкцию дорожного полотна;
4. Провести анализ экономической эффективности
разработанного дорожного полотна.
Проблема переработки изношенных автомобильных шин и вышедших из эксплуатации резинотехнических изделий имеет большое экологическое и экономическое значение для всех развитых стран мира. Невосполнимость природного нефтяного сырья диктует необходимость использования вторичных ресурсов с максимальной эффективностью, т.е. вместо гор мусора мы могли бы получить новую для нашего региона отрасль промышленности - коммерческую переработку отходов.
В настоящее время, все известные методы переработки шин можно разделить на две группы [4]:
. Физический метод;
. Химический метод.
Рассмотрим эти методы переработки автопокрышек более подробно.
Речь идет о методах, приводящих к глубоким необратимым изменениям структуры полимеров. Как правило, эти методы осуществляются при высоких температурах и заключаются в термическом разложении (деструкции) полимеров в той или иной среде и получению продуктов различной молекулярной массы. К этим методам относятся сжигание, крекинг, пиролиз.
Мировая передовая страна в области технологий - Япония сжигает около 65-70% старых шин, Германия - 45-50%, около 30% Великобритания. В США ежегодно 115 млн. старых шин используются в качестве топлива. По стандартам США, одна шина типичной пассажирской автомашины эквивалентна 7 галлонам нефти (около 32 литров) [5].
Существуют два способа сжигания с целью утилизации энергии: прямой и косвенный.
В первом случае шины, грубоизмельченные или целиком, сжигают в избытке кислорода. Иногда грубоизмельченные шины добавляют к другому сжигаемому материалу для повышения его теплотворной способности.
Одним из главных недостатков переработки сжиганием является тот факт, что при сжигании изношенных шин, как и при сжигании нефти, уничтожаются химически ценные вещества, содержащиеся в материале изношенных шин. При организации полного и безопасного сгорания шин в печах, оборудованных соответствующими фильтрами очистки выбросов, эти проблемы исчезнут. Однако создание печей и очистных сооружений для улавливания вредных газов и соединений тяжёлых металлов требует больших затрат.
Этот метод неперспективен также и с энергетической точки зрения: при сжигании одной шины от легкового автомобиля выделяемое количество энергии примерно равно энергии, получаемой от сжигания трех литров нефти. Однако в целях утилизации шин и получении при этом дополнительной энергии в мире широко применяют сжигание шин [6].
Во втором случае на сжигание поступает газ, полученный в процессах переработки изношенных шин, например, при пиролизе (основаны на термическом разложении отходов при отсутствии или большом дефиците кислорода с целью сохранения углеводородного сырья). Энергия горючего газа используется для получения горячей воды или водяного пара при помощи теплообменников [6].
резиновая крошка асфальтобетонная смесь
В наиболее развитых странах (США, Японии, Германии, Швейцарии и др.) уже длительное время эксплуатируют опытно-промышленные установки по пиролизу изношенных шин мощностью 7-15 тыс. т/год по сырью [7].
Основным процессом деструкции резины для дальнейшего трансформирования продуктов разложения в метанол является пиролиз в окислительной камере при температуре 1000°С. Для переработки шин необходимо их разрезать на части с отделением борта, который используется как побочный товарный продукт.
Жидкие и газообразные продукты пиролиза можно использовать не только как топливо. Жидкие продукты пиролиза можно использовать в качестве пленкообразующих растворителей, пластификаторов, смягчителей для регенерации резин. Пек пиролизной смолы является хорошим смягчителем, который может использоваться самостоятельно или в смеси с другими компонентами. Тяжелая фракция пиролизата как добавка к битуму, использующемуся в дорожном строительстве, может повысить его эластичность, устойчивость к холоду и влаге [5].
Из газообразной фракции пиролиза можно выделять ароматические масла, пригодные для применения в производстве резиновых смесей. Низкомолекулярные углеводороды могут быть использованы в качестве сырья для органического синтеза и в качестве топлива.
Но так как большая часть установок работала в цикличном режиме, а получаемые продукты пиролиза требовали дополнительной очистки перед последующим использованием, а главное - затраты не восполнялись стоимостью получаемых материалов, то пиролиз старых шин практически не применяют [6].
В настоящее время все большее значение приобретает направление использования отходов в виде дисперсных материалов. Наиболее полно первоначальная структура и свойства каучука и других полимеров, содержащихся в отходах, сохраняются при механическом измельчении. Установление взаимосвязи между размерами частиц материала, их физико-химическими и механическими характеристиками и затратами энергии на измельчение и параметрами измельчающего оборудования необходимо для расчета измельчителей и определения оптимальных условий их эксплуатации.
Процесс измельчения, несмотря на кажущуюся простоту, очень сложный не только по определению характера, величины и направления нагрузок, но и по трудности количественного учета результатов разрушения.
На данное время способы измельчения вторичных резин классифицируют [8]:
а) по температуре измельчения:
) при отрицательных температурах;
) при положительных температурах;
б) по механическому воздействию:
) Ударом;
) Истиранием;
) Сжатием;
) Сжатием со сдвигом;
) Резанием;
Согласно данной классификации рассмотрим следующие технологии.
Само по себе, шинное производство - одно из самых энергоемких - постоянно наращивает мощности. Уничтожение отработавших шин, пиролизом, описанным выше, еще более энергоемко, а для сжигания 3-4 тыс. покрышек требуется такое же количество кислорода, какое поглощает небольшой европейский городок за месяц [6].
Рассмотрим соотношение цифр в странах Западной и Центральной Европы, а также в Скандинавии. Соотношение продаж в этих странах составляет одна новая покрышка к двум восстановленным.
Как ни странно, но среди фирм, занимающихся восстановлением покрышек, лидируют шинные заводы.
Так компания Marangoni (Италия) кроме производства покрышек для грузовых и легковых автомобилей и автобусов выпускает оборудование и материалы не только для восстановления покрышек, но и для их безотходной утилизации.
Существует несколько технологий восстановления изношенного протектора.
Наиболее распространены нарезка и горячая вулканизация специальной гладкой ленты с одновременным формированием рисунка (этот процесс был хорошо известен у нас в стране как "наварка").
Однако, самые большие надежды и перспективы связаны на сегодняшний день именно с "холодной" (при температурах до 100°С) вулканизацией с применением лент с заранее нанесенным рисунком. В большинстве случаев для этого используется лента, равная размерам основных типов покрышек. Однако та же Marangoni успешно реализует технологию восстановления покрышек с помощью готовых протекторов кольцеобразной формы. Специальный станок растягивает резиновое кольцо и надевает его на подготовленный бреккер.
В конце 2008 года под Минском был запущен минизавод СП "Белретред", занимающийся восстановлением шин грузовых автомобилей по технологии фирмы "Эллерброк" (Германия). Сущность данной технологии заключается в том, что новый протектор предварительно вулканизируется на предприятии фирмы "Эллерброк", а затем приклеивается к предварительно подготовленному каркасу при температуре около +100°С. При этом, исключается возможность вторичной вулканизации и повреждения каркаса шины за счет ослабления связи между резиной и кордом.