Использование переработанного полиэтилена высокой плотности в качестве добавки для асфальтобетонных смесей

По словам Саймона Тетли (Simon Tetley), руководителя отдела технологий дорожно-строительных материалов в базирующейся в Кейптауне компании VNA Consulting, использование переработанных пластиковых отходов в горячем асфальте требует правильного выбора пластика и соответствующего способа смешивания.

Все больше стран, в том числе США, Великобритания, Индия, Новая Зеландия, Канада, Малайзия и Китай, используют при строительстве дорог переработанные пластиковые отходы в качестве добавки для горячего асфальта. Совершенно очевидно, что с экологической точки зрения использование переработанного пластика в качестве компонента в смесях вяжущих для асфальтобетона является более предпочтительным, чем использование невозобновляемых ресурсов. Нередко отмечается, что в числе преимуществ использования пластиковых отходов – сохранение природных ресурсов, сокращение энергопотребления, сокращение объемов твердых отходов, требующих утилизации, а также снижение выбросов углекислого газа (CO₂), диоксида серы (SO₂) и окислов азота (NO).

Подрядная организация Shisalanga Construction из Южной Африки провела обширное исследование по оценке свойств различных видов пластиковых отходов, чтобы определить наиболее подходящий вид для использования в качестве модификатора горячей асфальтобетонной смеси.

По результатам исследования было установлено, что предпочтительным видом пластика для этой области применения является переработанный полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полученный в результате переработки использованной упаковки для молока, крышек и емкостей, который примешивается к пропиточному битуму. Помимо улучшения эксплуатационных характеристик дорожного покрытия, использование переработанного ПЭВП снижает вероятность неконтролируемых выбросов и выбросов дымовых газов; температура плавления переработанного ПЭВП (130°C) гораздо ниже, чем температура плавления полиэтилентерефталата (> 250°C), и при этом переработанный ПЭВП не выделяет токсичные вещества, которые, как правило, выделяются полиэтиленом при нагреве.

Модифицированное вяжущее с использованием переработанного ПЭВП

Переработанный ПЭВП выпускается в форме гранул. Ввод в битум 6 процентов переработанного ПЭВП эквивалентно примерно 118 двухлитровым пластиковым бутылкам для молока на тонну асфальтобетонной смеси.

В ходе исследования компания Shisalanga Construction также установила, что для получения асфальтобетонной смеси с заданными свойствами большое значение имеет также способ смешивания переработанного ПЭВП. Было исследовано два способа смешивания. При «сухом» способе продукт смешивают с подогретым заполнителем перед добавлением битумного вяжущего. При «мокром» способе полимер смешивают непосредственно с битумом в горячем состоянии.

Предпочтение отдали «мокрому» способу, поскольку предполагается, что при применении этого способа полимер более равномерно распределяется в вяжущем и, кроме прочего, исключается вероятность вымывания микрочастиц пластика из асфальтобетонной смеси. После проведения всех испытаний свойств вяжущего и асфальтобетонной смеси компания Shisalanga Construction пришла к выводу, что пропиточный битум 70/100, модифицированный добавлением 6% переработанного ПЭВП (в пересчете на массу вяжущего), демонстрирует почти идеальные вязкоупругие свойства. По номинальной производительности согласно системе Performance Grade (PG) полученное вяжущее соответствует марке PG70V-22, а его рабочие характеристики сопоставимы с битумами, модифицированными с использованием этил-винил-ацетата (ЭВА) или стирол-бутадиен-стирола (СБС), при этом полученное вяжущее подходит для более высокого температурного диапазона.

Несмотря на то, что вяжущее не продемонстрировало выдающихся свойств упругого восстановления при испытании на растяжимость, вяжущее показало очень обнадеживающие низкотемпературные свойства при определении критической температуры растрескивания и деформации при отрицательных температурах с использованием реометра изгибающейся балки (BBR). Что касается низкотемпературных характеристик по системе PG, модифицированное вяжущее соответствует классу минус 22°C, что указывает на высокую стойкость покрытия к термическому растрескиванию. Что касается высокотемпературных характеристик по системе PG, которые были определены при испытании с помощью динамического сдвигового реометра (DSR), вяжущее соответствует классу 70°C.

Система классификации вяжущих для асфальтобетонных покрытий относительно их номинальной производительности при расчетной минимальной и максимальной температурах дорожного покрытия, используемая в Южной Африке, учитывает грузонапряженность дороги. Экспериментальное вяжущее, модифицированное с использованием переработанного ПЭВП, можно отнести к классу «V». Это означает, что вяжущее пригодно для использования в асфальтобетонных смесях в условиях очень интенсивной транспортной нагрузки. Следует также отметить, что высокий коэффициент старения вяжущего, модифицированного переработанным ПЭВП, указывающий на высокую усталостную прочность асфальтобетона, превосходит аналогичный показатель других, например, СБС-модифицированных вяжущих.

Проектирование состава асфальтобетонной смеси

Для проектирования состава асфальтобетонной смеси с использованием вяжущего с добавлением 6% переработанного ПЭВП, использовали два вида асфальтобетонных смесей с щебеночным заполнителем: щебеночно-мастичную асфальтобетонную смесь (ЩМАС) и высокомодульный асфальтобетон (EME). Для сравнения рабочих характеристик асфальтобетонной смеси, изготовленной с использованием вяжущего, модифицированного переработанным ПЭВП, дополнительно была изготовлена ЩМАС с использованием СБС-модифицированного вяжущего и смесь ЕМЕ с использованием пропиточного битума 10/20.

Что касается усталостной прочности, испытания смеси EME с добавлением вяжущего, модифицированного с использованием переработанного ПЭВП, и смеси ЕМЕ с пропиточным битумом 10/20 показали сопоставимые результаты. Между тем, смесь ЩМАС с более высоким содержанием вяжущего и с пленкой большей толщины показала гораздо более высокое значение усталостной прочности. Также было установлено, что вяжущее, модифицированное с использованием переработанного ПЭВП, способствует улучшению уплотняемости асфальтобетонной смеси. При одинаковом содержании СБС-модифицированного вяжущего, пропиточного битума 10/20 и вяжущего, модифицированного с использованием переработанного ПЭВП, последнее дает более низкое содержание воздушных пустот.

Эксплуатационные характеристики

Компания Shisalanga Construction пригласила технических специалистов VNA Consulting принять участие в полевых испытаниях для оценки рабочих характеристик приготовленных асфальтобетонных смесей. В августе 2019 года на двух экспериментальных участках местной трассы недалеко от асфальтобетонного завода компании Shisalanga Construction была выполнена укладка асфальтобетонной смеси, модифицированной с использованием переработанного ПЭВП. Для устройства 40-миллиметрового покрытия на первом участке использовали смесь ЩМАС, а втором – смесь EME. Для оценки способности покрытия, выполненного из смеси ЩМАС, выдерживать тяговые и тормозные усилия, создаваемые тяжелыми транспортными средствами, покидающими асфальтовый завод и прилегающий карьер, был специально выбран достаточно крутой участок с уклоном 8-9%.

Для второго этапа испытаний был выбран изрытый колеями участок с крошащимся асфальтом (см. фото выше). Перед укладкой слоя асфальтобетонной смеси ЕМЕ, толщина которого варьировалась от 60 до 70 мм, участки с наиболее сильной колейностью были удалены фрезерованием. Предполагалось, что возникнет некоторая начальная колейность, и это позволит проверить, можно ли использовать высокомодульный асфальт для перекрытия неровной поверхности и ранее поврежденного дорожного покрытия. Этот экспериментальный участок также был предназначен для проверки стойкости модифицированной смеси к низкотемпературному растрескиванию. Для этого одна из полос была заасфальтирована за неделю до другой, при этом продольный стык намеренно не обрезали. Как правило, при обычной укладке асфальтобетона, перед тем, как укладывать прилегающую полосу движения, немного обрезают стык.

Грузонапряженность на экспериментальных участках создавалась автосамосвалами, перевозящими асфальтобетонную смесь и доставляющими битум и щебень на асфальтобетонный завод компании Shisalanga Construction, а также тяжелыми автомобилями, перевозящими щебеночные заполнители и товарный бетон из близлежащего карьера. Данные по грузонапряженности были собраны на автовесовых асфальтобетонного завода и карьера, а также в ходе семидневного учета движения транспорта на экспериментальных участках. На основании собранных данных был сделан вывод, что за период с августа 2019 года по июнь 2021 года грузонапряженность на двух экспериментальных участках составила порядка 200 000 нагрузок на ось E80 (+/- 3,2 миллиона за типичный 20-летний расчетный период).

Обследование состояния экспериментальных участков, проведенное в июне 2021 года, включало визуальную оценку дорожного покрытия, а также автоматизированный сбор данных о глубине, шероховатости и текстуре дорожного покрытия. Полученные результаты показали, что при сравнительно высокой грузонапряженности дорожное покрытие на обоих экспериментальных участках имеет хорошие эксплуатационные характеристики, при этом средняя глубина колей составила около 5 мм. Глубина текстуры дорожного покрытия на экспериментальном участке с покрытием из смеси ЩМАС, измеренная как средняя глубина профиля, составила в среднем 0,8 мм, что свидетельствует о том, что покрытие способно противостоять закрытию бороздок в условиях медленно движущегося тяжелого транспорта.

На экспериментальном участке, на котором использовалась смесь EME, наблюдалось некоторое истирание текстуры. Однако следует учитывать, что асфальтобетонные смеси типа ЕМЕ предназначены для оснований, а не для поверхностных слоев, поэтому возможно небольшое истирание текстуры вследствие движения транспортных средств.

Важно отметить, что на экспериментальном участке с покрытием из смеси EME, на котором продольный стык одной из полос не был обрезан, на наблюдалось образование трещин. Данные тщательной визуальной оценки хорошо коррелировали с результатами автоматического сбора данных, подтверждая тот факт, что после двух лет использования в условиях высокой загруженности оба экспериментальных участка по-прежнему имеют хорошие эксплуатационные характеристики.

Выводы

Исследование по модификации горячего асфальта переработанными отходами пластика, проведенное компанией Shisalanga Construction, показало, что модификация пропиточного битума 70/100 путем добавления 6% переработанного полиэтилена высокой плотности дает в результате вяжущее с рабочими характеристиками, равными, если не превосходящими, свойства СБС- или ЭВА-модифицированного вяжущего. Важно отметить, что при изготовлении асфальтобетонных смесей для экспериментальных участков использовался «мокрый» метод, заключающийся в смешивании пластика с горячим битумом.

Перед полевыми испытаниями были выполнены комплексные работы по проектированию состава смесей с использованием вяжущего, модифицированного переработанным ПЭВП. В ходе работ было установлено, что по сравнению с контрольной асфальтобетонной смесью, в составе которой использовалось СБС-модифицированное вяжущее, асфальтобетонная смесь типа ЩМАС имеет повышенные показатели усталостной прочности. Также было установлено, что показатели усталостной прочности асфальтобетонной смеси типа EME, имеющей в составе вяжущее, модифицированное переработанным ПЭВП, и такой же смеси с пропиточным битумом 10/20, примерно одинаковы.

Компания, воодушевленная обнадеживающими результатами исследования, планирует провести аналогичные испытания на скоростной автомагистрали с интенсивным дорожным движением, соединяющей порт Дурбан, находящийся на побережье Индийского океана, и провинцию Квазулу-Натал на востоке ЮАР. Обследование состояния дорожного покрытия на предложенном экспериментальном участке трассы уже завершено, и начало нового эксперимента – неизбежно.

Планируется вести наблюдение за экспериментальным участком на всех этапах эксперимента. В этом эксперименте в качестве основы будет использоваться асфальтобетонная смесь EME, а в качестве слоя износа – смесь ЩМАС. Эксперимент будет включать приготовление модифицированного вяжущего, производство и укладку асфальтобетонных смесей, а также непрерывные испытания дорожного покрытия на эксплуатационные характеристики как в краткосрочной (12 и 24 месяца), так и в долгосрочной перспективе (+5 лет).

Передает Информационный портал Заполнители