МОДИФИКАЦИЯ КРОВЕЛЬНОГО БИТУМА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В РЕЗКОКОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЯХ

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты получения  модификатора на основе отходов резиновой промышленности для улучшения свойств кровельного битума БНК-5. При пиролизе изношенных автомобильных шин, образуется жидкое вещество черного цвета со специфическим запахом. В его состав входят преимущественно составляющие шины каучуки и остальные органические ингредиенты, его молекулярная масса составляет около 1000–1200, температура вспышки более 220^оС. Для улучшения физико-химических свойств пиролизной смолы, исследовали влияние содержания серы и оксида цинка, при этом установлено улучшение его физико-химических свойств за счёт структурирования малекулы каучука, то есть частичное образование вулканизационной сетки -C-S_n-C-. Полученным олигомером модифицирововали кровельный битум БНК-5, в результате рекомендован состав для получения модифицированного битума, применяемого в резкоконтинентальных погодных условиях Средней Азии.

ABSTRACT

This article presents the results of obtaining a modifier on the basis of waste rubber industry to improve the properties of roofing bitumen БНК-5 / petroleum roofing bitumen-5. At pyrolysis of worn-out automobile tires, a liquid substance of black color with specific odors is formed, which, its composition includes mainly tire rubber and other organic ingredients, its molecular weight is about 1000–1200, the temperature of pyrolysis is more than 220°C. To improve the physicochemical properties of pyrolysis resin, the influence of sulfur content and zinc oxide was investigated, and the improvement of its physicochemical properties due to structuring of rubber molecule, i.e., partial formation of vulcanization network -C-S_n-C- was found. The obtained oligomer modified roofing bitumen BNK-5 as a result of the recommended composition for obtaining modified bitumen used in sharply continental weather conditions of Central Asia.

Ключевые слова: битум, модификатор, каучук, отход, изношенные шины, композиция, вязкост, морозостойкость, коррозия, компонент.

Keywords: bitumen, modifier, rubber, waste, worn-out tires, composition, viscosity, frost resistance, corrosion, component.

Введение. В настоящее время во всем мире в химическом, машиностроении, приборостроении, автомобильном, железнодорожном, мостовом, туннельном, жилищном строительстве битумы и составы на их основе используются в качестве покрытий для защиты их от ржавчины и коррозии. При этом для повышения хладо- и теплостойкости, эластичности, растяжимости и срока службы композиционных покрытий на битумной основе особое внимание уделяется созданию компонентов, формирующих их технологические, физико-механические, динамические свойства на основе по заранее установленным требованиям [1; 5; 6]. Исследования источников научно-технической литературы показывают, что для улучшения качества битумных кровельных композиций, используемых в строительстве, и их свойств, таких как технологические, реологические, физико-механические и деформационные, а также повышения стойкости к скольжению, будет положительно сказываться использование в композициях органоминеральных модификаторов, мелкодисперсных органических и неорганических порошков и механохимически активированных органоминеральных ингредиентов. В научных источниках показано, что это приводит к положительную результату. В то же время установлено, что для решения требуемых актуальных проблем разрабатываются научно-технические подходы, определяющие цели и задачи данной работы [9; 11–13].  Целью данной работы является разработка модификатора на основе переработки изношенных шин и получение модифицированных кровильных битумов с его применением при работе в резкоконтинентальных условиях.

Объекты и методы исследование. Объектом исследования является смола, полученная из изношенных автомобильных шин пиролизном методом, и кровельный битум марки БНК-5. Морозостойкость композиции по ГОСТу 408-2013, сопротивления истиранию по ГОСТу 23509-2014 получены в результате просмотра не менее 100 полей зрения, теплофизические параметры битумов в температурном интервале (–100℃÷+200℃) определялись методом дифференциально-сканирующей калориметрии на приборе DSC 204 F1 Phoenix (Германия), температура стеклования по методу ДСК, исследования поверхностной структуры битума и композиций проводили на сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ) на платформе Ntegra Prima и Solver Pro (Россия), регистрацию ИК-спектров образцов битумов и битумных композиций осуществляли на ИК-Фурье-спектрофотометре Varian 7000 FT-IR (США) с приставкой нарушенного полного внутреннего отражения с числом сканов 16 с разрешением 4 см^-1, исследования свойств битума и модифицированных битумных композиций проводились в соответствии с ГОСТом 4333-2014, исследования прочностных и деформационных характеристик композиции проводили согласно ГОСТа 12801-2013.

Результаты и обсуждение. Композиционные изоляционные покрытия на основе битума широко используются в различных областях строительства, и требования к ним возрастают с расширением области применения. При этом требуется разработка классифицированных по заданным требованиям составов композиции путем модификации битума новыми материалами и ингредиентами. В связи с этим с целью увеличения срока службы композиционных кровельных покрытий в различных условиях особое внимание уделяется созданию модификаторов и ингредиентов, формирующих их технологические, реологические, физико-механические, динамические свойства на основе заранее заданных требований к структуре и свойствам [3; 4–7].

Известно, что в нашей республике погода резкоконтинентальная, в результате чего изоляционные покрытия выходят из строя. Основная причина этого в том, что битум марки БНК-5, являющийся основой применяемого в них состава, не выдерживает резкоконтинентальные погодные условия [4; 8; 14].

Для модификации изоляционного битума и повышения устойчивости получаемых на его основе покрытий к резкоконтиненталным погодным условиям, технологическим, реологическим, физико-механическим свойствам выбраны ингредиенты на основе местного сырья, изучены физико-химические свойства и разработана технология получения на их основе органоминерального модификатора [2; 10; 14]. В качестве отхода образуется смолистый продукт – при пиролизе изношенных автомобильных шин, который представляет собой жидкое вещество черного цвета со специфическим запахом. В состав пиролизной смолы входят преимущественно составляющие шины каучуки и остальные органические ингредиенты, ее молекулярная масса составляет около 1000–1200, температура плавления вспышки более 220^оС. Структура аналогична пластификатору дибутилфталат, поэтому его целесообразно использовать для модификации битума. Для улучшения физико-химических свойств пиролизной смолы, исследовали влияние содержания серы и оксида цинка и полученные результаты приведены на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимость содержание серы оксида цинка на температуру замерзание (1), липкость (2), вязкость (3), молекулярная масса пиролизной смолы. (Температура 120^оС, время 20 мин.)

Из рисунка видно, что происходит улучшение физико-химических свойств пиролизной смолы: оптималное содержание  серы 1 % и оксида цинка 3 % , осуществляемые при температуре 120 ^оС, в течение 20 минут. При этом выбрано их оптимальное содержание (табл.1).

Таблица 1.

Физико-химические свойства пиролизной смолы до и после обработки

Как видно из таблицы, физико-химические свойства пиролизной смолы изменяются за счёт структурирования малекулы каучуков, то есть образования вулканизационной сетки (таблица 2).

Таблица 2.

Структура и содержание образованные вулканизационной сетки (при температуре 120 ^оС, течение 20 мин.)

Из таблицы видно, что при добавлении серы 1 % и оксида цинка 2 % в основном образуются -С-S_n-C-, это достаточное изменение структуры битума в необходимой стороне. Полученным олигомером модифицирововали кровельный битум БНК-5. Как известно, эксплуатационные свойства битумов, применяемых в строительстве для изоляции, не соответствуют в резкоконтинентальным погодным условиям. С учетом этого изучено (рис.2) влияние пиролизной смолы, основной показатель технологического процесса смешения битума БНК-5.

Рисунок 2. Влияние пиролизной смол на температуру смешения БНК-5. (Содержание пиролизной смолы 30 мас.% на 100 мас.% БНК-5)

На основании полученных результатов научных исследований было показано, что смешение пиролизной смолы с кровельном битумом при 200 ^оС дает хорошие результаты. В результате изучения эксплуатационных свойств полученного модифицированного битума были получены следующие данные (табл.3).

Таблица 3.

 Влияние количества модификатора на свойства БНК-5

Как видно из таблицы, разработанный модификатор положительно влияет на эксплуатационные свойства БНК-5, то есть снижает температуру замерзания, повышает эластичность и упругость, в результате чего получен модифицированный битум, работающий в резкоконтинентальных погодных условиях в нашей республике.

Выводы. Таким образом, рекомендован модификатор на основе отходов резиновой промышленности для улучшения свойств кровельного битума БНК-5.  

Установлено, что при пиролизе изношенных автомобильных шин, образуется жидкое вещество черного цвета со специфическим запахом. Определено, что в состав пиролизной смолы входят преимущественно составляющие шины каучуки и остальные органические ингредиенты, его молекулярная масса составляет около 1000–1200, температура вспышки более 220^оС. Для улучшения физико-химических свойств пиролизной смолы, исследовали влияние содержания серы и оксида цинка, при этом установлено улучшение его физико-химических свойств за счёт структурирования малекулы каучука, то есть образование вулканизационной сетки. Полученным олигомером модифицирововали кровельный битум БНК-5, в результате рекомендован состав для получения модифицированного битума, применяемого в резкоконтинентальных погодных условиях.

Список литературы:

1. Boborazhabov B.N., Vapaev M.D, Akhmadzhonov S.A., Ibadullaev A.S. Research of the properties of road asphalt with modified additives // European science review. – № 9-10. – 2018. – R.163–166.
2. Bukit N., Frida E. The effect zeolite addition in natural rubber polypropylene composite on mechanical, structure, and thermal characteristics // Makara. Journal Technology. – 2013. – Vol. 27. – No. 3. – Pp. 113–130.
3. Bukit N., Ginting E.M., Pardede I.S., Frida E., Bukit B.F. Mechanical properties of composite thermoplastic hdpe natural rubber and palm oil boiler ash as a filler // The open access Journal of Physics. – 2018. – Vol. 1120. – Pp. 1–8. doi: 10.1088/1742-6596/1120/1/012003.
4. Ginting E.M., Bukit N., Gultom D. Motlan, Frida E., Bukit B.F.  Preparation and characterization of oil palm empty bunches powder as A filler of polypropylene natural rubber // International Journal Civil Engineering Technology. – 2019. – Vol. 10. – No. 6. – Pp. 453–464.
5. Gureev A.A., Somov V.A., Lugovskoy A.I., Ivanov A.V. Novoe v texnologii proizvodstva bitumnыx materialov // Ximiya i texnologiya topliv i masel. – 2000. – № 2. – S. 49–51.
6. Kutin Yu.A., Telyashev E.G., Viktorova G.N. Bitumnыe texnologii i kachestvo bitumov // Ximiya i texnologiya topliv i masel. – 2006. – № 2. – S. 10.
7. Liu Y., Wang W., Wang A., Jin Z., Zhao H., Yang Y. Effect of vapor pressure on performance of sulfurized polyacrylonitrile cathodes for Li/S batteries // RSC Advances. – Vol. 6. – 2016. – Pp. 106625–106630. – Retrived from: https://pubs.rsc.-org/en/content/articlelanding/2016/ra/c6ra24443b#!divAbstract. (accessed date: 05.03.2025).
8. Myint N.N., Aye T.T., Naing K.M., Wynn N. Performance study of the natural rubber composite with clay minerals. Myanmar Academy of Arts and Science. – 2008. – No. 6. – Vol. 1. – Pp. 151–159.
9. Negmatov N.S., Ziyamukhamedova U.A., Kuluev A.R. Antifriction materials and water-soluble compounds on basis of polymers for reducing the mechanical damage of cotton fibers // Plasticheskiye Massy: Sintez Svoystva Pererabotka Primeneniye. – 2002. – No. 1. – Pp. 42–45.
10. Phrommedetch S., Pattamaprom C., Compatibility improvement of rice husk and bagasse ashes with natural rubber by molten-state maleation // European Journal of Scientific Research. – 2010. – Vol. 43. – No. 3. – Pp. 411–416.
11. Primeneniye rezinovykh tekhnicheskikh izdeliy v narodnom khozyaystve. Spravochnoye posobiye [The use of rubber technical products in the national economy. Reference manual]. – Мoscow, 1996. – 378 p.
12. Umarov, A., Kamalova, D., Investigation of ultrafine expansion in Epr studies of a polymer composition based on polystyrene // AIP Conference Proceedings. –  2020. – Pp. 2308, 030019.
13. Yoqubov B.B., Ibadullaev A.S. Svoystva i struktura, sostavlyayuщix polimer bitumnыx kompozitsii // UzAcademia. – Vol. 2. – Iss. (11). – February 2021. – Pp. 129–134 page.
14. Ziyamukhamedova U., Djumabaev D., Shaymardanov B. Mechanic chemical modification meth od used in the development of new composite materials based on epoxy binder and natural min erals // Turkish journal of Chemistry. – 2013. – Vol. 37. – No. 1. – Pp. 51–56.