Використання переробленого поліетилену високої щільності як добавки для асфальтобетонних сумішей

За словами Саймона Тетлі (Simon Tetley), керівника відділу технологій дорожньо-будівельних матеріалів в компанії VNA Consulting, що базується в Кейптауні, використання перероблених пластикових відходів в гарячому асфальті вимагає правильного вибору пластику і відповідного способу змішування.

Все більше країн, у тому числі США, Великобританія, Індія, Нова Зеландія, Канада, Малайзія і Китай, використовують при будівництві доріг перероблені пластикові відходи в якості добавки для гарячого асфальту. Цілком очевидно, що з екологічної точки зору використання переробленого пластику в якості компонента в сумішах в’яжучих для асфальтобетону є більш кращим, ніж використання невідновлюваних ресурсів. Нерідко наголошується, що в числі переваг використання пластикових відходів – збереження природних ресурсів, скорочення енергоспоживання, скорочення обсягів твердих відходів, що потребують утилізації, а також зниження викидів вуглекислого газу (CO ­), діоксиду сірки (SO ­) і окислів азоту (NO).

Підрядна організація Shisalanga Construction з Південної Африки провела широке дослідження з оцінки властивостей різних видів пластикових відходів, щоб визначити найбільш відповідний вид для використання в якості модифікатора гарячої асфальтобетонної суміші.

За результатами дослідження було встановлено, що кращим видом пластику для цієї області застосування є перероблений поліетилен високої щільності (ПЕВП), отриманий в результаті переробки використаної упаковки для молока, кришок і ємностей, який домішується до просоченого бітума. Крім поліпшення експлуатаційних характеристик дорожнього покриття, використання переробленого ПЕВП знижує ймовірність неконтрольованих викидів і викидів димових газів; температура плавлення переробленого ПЕВП (130 ° C) набагато нижча, ніж температура плавлення поліетилентерефталату (> 250 ° C), і при цьому перероблений ПЕВП не виділяє токсичні речовини, які, як правило, виділяються поліетиленом при нагріванні.

Модифіковане в’яжуче з використанням переробленого ПЕВП

Перероблений ПЕВП випускається у формі гранул. Введення в бітум 6 відсотків переробленого ПЕВП еквівалентно приблизно 118 дволітровим пластиковим пляшкам для молока на тонну асфальтобетонної суміші.

В ході дослідження компанія Shisalanga Construction також встановила, що для отримання асфальтобетонної суміші з заданими властивостями велике значення має також спосіб змішування переробленого ПЕВП. Було досліджено два способи змішування. При «сухому» способі продукт змішують з підігрітим заповнювачем перед додаванням бітумного в’яжучого. При «мокрому» способі полімер змішують безпосередньо з бітумом у гарячому стані.

Перевагу віддали «мокрому» способу, оскільки передбачається, що при застосуванні цього способу полімер більш рівномірно розподіляється у в’яжучому і, крім іншого, виключається ймовірність вимивання мікрочастинок пластику з асфальтобетонної суміші. Після проведення всіх випробувань властивостей в’яжучого і асфальтобетонної суміші компанія Shisalanga Construction прийшла до висновку, що прожитковий бітум 70/100, модифікований додаванням 6% переробленого ПЕВП (в перерахунку на масу в’яжучого), демонструє майже ідеальні в’язкоупругі За номінальною продуктивністю згідно з системою Performance Grade (PG) отримане в’яжуче відповідає марці PG70V-22, а його робочі характеристики можна порівняти з бітумами, модифікованими з використанням етил-вініл-ацетату (ЕВА) або стирол-бутадієн-стиролу (СБС), при цьому отримане в’яжуче підходить для вищого температурного діапазону.

Попри те, що в’яжуче не продемонструвало видатних властивостей пружного відновлення при випробуванні на розтяжність, в’яжуче показало дуже обнадійливі низькотемпературні властивості при визначенні критичної температури розтріскування і деформації при негативних температурах з використанням балки (BBR). Що стосується низькотемпературних характеристик системи PG, модифіковане в’яжуче відповідає класу мінус 22°C, ​​що вказує на високу стійкість покриття до термічного розтріскування. Що стосується високотемпературних характеристик системи PG, які були визначені при випробуванні за допомогою динамічного зсувного реометра (DSR), в’яжуче відповідає класу 70 °C.

Система класифікації в’яжучих для асфальтобетонних покриттів щодо їх номінальної продуктивності при розрахунковій мінімальній і максимальній температурах дорожнього покриття, що використовується в Південній Африці, враховує вантажонапруженість дороги. Експериментальне в’яжуче, модифіковане з використанням переробленого ПЕВП, можна віднести до класу «V». Це означає, що в’яжуче придатне для використання в асфальтобетонних сумішах в умовах дуже інтенсивного транспортного навантаження. Слід також зазначити, що високий коефіцієнт старіння в’яжучого, модифікованого переробленим ПЕВП, що вказує на високу втому міцність асфальтобетону, перевершує аналогічний показник інших, наприклад, СБС-модифікованих в’яжучих.

Проєктування складу асфальтобетонної суміші

Для проєктування складу асфальтобетонної суміші з використанням в’яжучого з додаванням 6% переробленого ПЕВП, використовували два види асфальтобетонних сумішей з щебеневим заповнювачем: щебенево-мастичну асфальтобетонну суміш (ЩМАС) і високомодульний асфальтобетон (EME). Для порівняння робочих характеристик асфальтобетонної суміші, виготовленої з використанням в’яжучого, модифікованого переробленим ПЕВП, додатково була виготовлена ЩМАС з використанням СБС-модифікованого в’яжучого і суміш ЕМЕ з використанням прожиткового бітуму 10/20.

Що стосується втомленої міцності, випробування суміші EME з додаванням в’яжучого, модифікованого з використанням переробленого ПЕВП, і суміші ЕМЕ з прожитковим бітумом 10/20 показали зіставні результати. Між тим, суміш ЩМАС з більш високим вмістом в’яжучого і з плівкою більшої товщини показала набагато більш високе значення втомленої міцності. Також було встановлено, що в’яжуче, модифіковане з використанням переробленого ПЕВП, сприяє поліпшенню ущільнюваної асфальтобетонної суміші. При однаковому вмісті СБС-модифікованого в’яжучого, прожиткового бітуму 10/20 і в’яжучого, модифікованого з використанням переробленого ПЕВП, останнє дає більш низький вміст повітряних пустот.

Експлуатаційні характеристики

Компанія Shisalanga Construction запросила технічних фахівців VNA Consulting взяти участь у польових випробуваннях для оцінки робочих характеристик приготованих асфальтобетонних сумішей. У серпні 2019 року на двох експериментальних ділянках місцевої траси недалеко від асфальтобетонного заводу компанії Shisalanga Construction було виконано укладання асфальтобетонної суміші, модифікованої з використанням переробленого ПЕВП. Для влаштування 40-міліметрового покриття на першій ділянці використовували суміш ЩМАС, а другій – суміш EME. Для оцінки здатності покриття, виконаного з суміші ЩМАС, витримувати тягові і гальмівні зусилля, створювані важкими транспортними засобами, що покидають асфальтовий завод і прилеглий кар’єр, була спеціально обрана досить крута ділянка з ухилом 8-9%.

Для другого етапу випробувань було обрано зриту коліями ділянку з крихітним асфальтом (див. фото вище). Перед укладанням шару асфальтобетонної суміші ЕМЕ, товщина якого варіювалася від 60 до 70 мм, ділянки з найбільшою колійністю були видалені фрезеруванням. Передбачалося, що виникне деяка початкова колійність, і це дозволить перевірити, чи можна використовувати високомодульний асфальт для перекриття нерівної поверхні та пошкодженого дорожнього покриття. Ця експериментальна ділянка також була призначена для перевірки стійкості модифікованої суміші до низькотемпературного розтріскування. Для цього одна зі смуг була заасфальтована за тиждень до іншої, при цьому поздовжній стик навмисно не обрізали. Як правило, при звичайному укладанні асфальтобетону, перед тим, як укладати прилеглу смугу руху, трохи обрізають стик.

Вантажонапруженість на експериментальних ділянках створювалася автосамоскидами, що перевозять асфальтобетонну суміш і доставляють бітум і щебінь на асфальтобетонний завод компанії Shisalanga Construction, а також важкими автомобілями, що перевозять щебеневі заповнювачі та товарний бетон з довколишнього кар’єру Дані щодо вантажонапруженості були зібрані на автовагових асфальтобетонних заводах і кар’єрах, а також у ході семиденного обліку руху транспорту на експериментальних ділянках. На підставі зібраних даних було зроблено висновок, що за період з серпня 2019 року по червень 2021 року вантажонапруженість на двох експериментальних ділянках склала близько 200 000 навантажень на вісь E80 (+/- 3,2 мільйона за типовий 20-річний розрахунковий період).

Обстеження стану експериментальних ділянок, проведене в червні 2021 року, включало візуальну оцінку дорожнього покриття, а також автоматизований збір даних про глибину, шорсткість і текстуру дорожнього покриття. Отримані результати показали, що при порівняно високій вантажонапруженості дорожнє покриття на обох експериментальних ділянках має хороші експлуатаційні характеристики, при цьому середня глибина колій склала близько 5 мм. Глибина текстури дорожнього покриття на експериментальній ділянці з покриттям з суміші ЩМАС, вимірена як середня глибина профілю, склала в середньому 0,8 мм, що свідчить про те, що покриття здатне протистояти закриттю борозень в умовах повільно рухомого важкого транспорту.

На експериментальній ділянці, на якій використовувалася суміш EME, спостерігалося деяке стирання текстури. Однак слід враховувати, що асфальтобетонні суміші типу ЕМЕ призначені для підстав, а не для поверхневих шарів, тому можливе невелике стирання текстури внаслідок руху транспортних засобів.

Важливо відзначити, що на експериментальній ділянці з покриттям із суміші EME, на якому поздовжній стик однієї зі смуг не був обрізаний, спостерігалося утворення тріщин. Дані ретельної візуальної оцінки добре корелювали з результатами автоматичного збору даних, підтверджуючи той факт, що після двох років використання в умовах високої завантаженості обидві експериментальні ділянки як і раніше мають хороші експлуатаційні характеристики.

Висновки

Дослідження з модифікації гарячого асфальту переробленими відходами пластику, проведене компанією Shisalanga Construction, показало, що модифікація прожиткового бітуму 70/100 шляхом додавання 6% переробленого поліетилену високої щільності дає в результаті в’яжуче з робочими характеристиками, рівними, якщо не переважливі, властивості СБС- або Е. Важливо відзначити, що при виготовленні асфальтобетонних сумішей для експериментальних ділянок використовувався «мокрий» метод, що полягає в змішуванні пластику з гарячим бітумом.

Перед польовими випробуваннями були виконані комплексні роботи з проєктування складу сумішей з використанням в’яжучого, модифікованого переробленим ПЕВП. Під час робіт було встановлено, що порівняно з контрольною асфальтобетонною сумішшю, у складі якої використовувалося СБС-модифіковане в’яжуче, асфальтобетонна суміш типу ЩМАС має підвищені показники втомленої міцності. Також було встановлено, що показники втомленої міцності асфальтобетонної суміші типу EME, що має в складі в’яжуче, модифіковане переробленим ПЕВП, і такої ж суміші з просоченим бітумом 10/20, приблизно однакові.

Компанія, натхнена обнадійливими результатами дослідження, планує провести аналогічні випробування на швидкісній автомагістралі з інтенсивним дорожнім рухом, що з’єднує порт Дурбан, що знаходиться на узбережжі Індійського океану, і провінцію Квазулу-Натал на сході ПАР. Обстеження стану дорожнього покриття на запропонованій експериментальній ділянці траси вже завершено, і початок нового експерименту – неминуче.

Планується вести спостереження за експериментальною ділянкою на всіх етапах експерименту. У цьому експерименті у якості основи буде використовуватися асфальтобетонна суміш EME, а у якості шару зносу – суміш ЩМАС. Експеримент включатиме приготування модифікованого в’яжучого, виробництво та укладання асфальтобетонних сумішей, а також безперервні випробування дорожнього покриття на експлуатаційні характеристики як у короткостроковій (12 і 24 місяці), так і в довгостроковій перспективі (+ 5 років).

Передає Інформаційний портал Заповнювачі