Тема статьи – анализ исследований по выявлению физико-механических свойств горячего и холодного асфальтобетонов на связующем порошке из кровельных битумных отходов с заполнителями из местного материала – песка.

УДК 504.064.45/47

Б.С. УСТИНОВ, профессор, Д.Б. УСТИНОВ, инженер, Брестский государственный технический университет, Беларусь

Ключевые слова: переработка, битумные отходы, гидроизоляция, адгезия, заполнитель, асфальтобетон
Keywords: recycling, waste bituminous, waterproofing, adhesion, aggregate, asphalt-concrete

Образование отходов производства и потребления от жизнедеятельности человека – неизбежно. Ресурсы же полигонов ТБО и ТКО на экологически уязвимых земельных угодьях не бесконечны. Поэтому в нынешних условиях постановка вопроса об увеличении объемов извлечения вторичных материальных ресурсов (ВМР) из отходов на полигонах является актуальной. При этом будут значительно снижаться негативные экологические последствия, глобально влияющие на изменения климата на земле. А вторичное сырье следует не просто извлекать из отходов, но прежде всего перерабатывать в продукцию и с пользой использовать в деле. Недопустимо впустую тратить средства, энергию, время и труд, чтобы просто извлечь вторичное сырье и с неопределенностью его применения надолго оставить в буртах у тех же полигонов. При этом коммунальные и промышленные отходы (включая строительные) и извлекаемые из них ВМР целесообразно рассматривать совместно и далее создавать из них новые полезные видоизмененные соединения, дополняющие друг друга своими физическими и химическими свойствами. Например, при сухом измельчении кровельных битумных отходов (КБО) получается вторичный материал в виде дисперсного порошка [1]. Битум, содержащийся в этом порошке, обладает хорошими гидроизолирующими, адгезионными, связующими свойствами, обезвреживает от РВ и ТМ [2, 3], долговечен в конструкциях и совместим с минеральными и органическими заполнителями.

Нефтяной битум – это коллоидная система, в которой дисперсную среду составляют масла и смолы, а дисперсная фаза представлена асфальтенами. Битумы состоят из сложной смеси высокомолекулярных углеводородов и их неметаллических производных с отрицательным зарядом. Известно и то, что углеводороды – важнейшие компоненты нефти, природного газа и продуктов их переработки – являются канцерогенными веществами. Для нейтрализации таких вредных веществ, например, в нефтесодержащих отходах в качестве сорбента на практике используют известь. Кстати, эти углеводороды в повседневной жизни окружают людей постоянно: газ в квартирах, асфальтированные дороги и площадки, рубероидные гидроизолирующие кровли. А гидроизоляция битумными композициями ответственных конструкций турбинного зала, реакторных блоков и деаэраторной этажерки в главных корпусах зданий Ленинградской и Игналинской АЭС уже в течение многих лет обеспечивает надежную и безопасную изоляцию и от радиации. Порошок из КБО – технологичный вторичный материал, поддающийся механизированным процессам перемешивания в различных сухих и холодно-горячих пластичных смесях. Такие смеси быстро набирают конструктивную прочность и обеспечивают производительность технологических операций. Аналогичными свойствами обладает порошок, получаемый из измельченного кондиционного битума [4] твердых марок.

Нами были проведены исследования по выявлению физико-механических свойств горячего и холодного асфальтобетонов на связующем порошке из КБО с заполнителями из местного материала – песка. Был оптимизирован расход связующего порошка из КБО в пределах 7-10% от массы минерального заполнителя. Основные показатели физико-механических свойств горячего и холодного асфальтобетонов на связующем порошке из КБО приведены, соответственно, в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Наименование показателей	Нормы для асфальтобетонов из смесей марок:
	из кровельных битумных отходов	по СТБ 1033-96
1. Набухание, % по объему	0,03	не более 1,0
2. Предел прочности при сжатии, МПа (кгс/см2), при температуре 50°С	2,00	не менее 1,0
3. Модуль остаточной (пластической) деформации, МПа (кгс/см2), при температуре 50°С	91,4	не менее 60,0
4. Предел прочности при растяжении, МПа (кгс/см2), при температуре 0°С	2,56	не менее 1,5
5. Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении	0,83	не менее 0,75
6. Водонасыщение, % по объему	1,0	1-4

Таблица 2

Наименование показателя	Значение из КБО	По СТБ 1033-96*
Водонасыщение, % по объему	5,0	5-9
Набухание, % по объему	0,3	1,2-2,0
Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре 20°С	1,27	1,0-1,2
Коэффициент водостойкости при длительном водонасыщении	0,4	0,4-0,5
Слеживаемость, по числу ударов	9	8-10

Примечание: * Соответствует требованиям ГОСТ

Методы испытаний по выявлению физико-механических свойств горячего и холодного асфальтобетонов проводились в соответствии с требованиями СТБ 1033-94 на цилиндрических образцах (рис. 1).

Следует отметить, что качественные характеристики горячего и холодного асфальтобетонов на вторичном материале – связующем порошке из КБО – выше средних нормативных значений.

Это объясняется тем, что в порошке из КБО присутствуют эластичные волокнистые органические и минеральные включения, составляющие основу кровельного рубероида. К ним относятся картон (бумага), полимерная пленка, стеклоткань. Такие волокнистые частички являются армирующими связями в конструктивной системе материала, повышая его прочность. Это было выявлено и на практике при применении таких асфальтобетонов в монолитной конструктивной системе (рис. 2) и при изготовлении опытных сборных элементов сложной конфигурации (рис. 3).

Переработка отходов производства и потребления с извлечением и применением ВМР у нас пока является новым технологическим направлением в системе утилизации вторичного сырья. Поэтому отсутствует и четкий подход к ценообразованию на производство специального инновационного оборудования для переработки отходов, стоимости извлекаемых из них ВМР и новых материалов из этого сырья и др.

На сегодня освоена только частично технология переработки КБО в дисперсный связующий порошок на первых отечественных установках, разработанных БрГТУ [1].

По данным РУП «Бел НИЦ «Экология», в табл. 3 приведены показатели за 2014 год обращения с этими отходами (код 1870500) во всех областях Беларуси.

Таблица 3

Область, город	Образовано, т	Использовано, т	Накоплено на полигонах, т	Захоронено, т
г. Минск	3598,0	1283,0	1835,0	480,0
Минская обл.	729,6	469,0	260,6	–
Брестская обл.	414,7	317,27	–	97,43
Витебская обл.	308,7	94,4	–	214,3
Гомельская обл.	681,0	595,0	86,0	–
Гродненская обл.	800,0	100,0	–	700,0
Могилевская обл.	28,4	28,4	–	–
Итого	6560,4	2887,1	2181,6	1491,73

Примечание: Данные по обращению с кровельными рубероидными отходами по регионам Беларуси за 2015 год будут известны в течение 2016 г.

Стоимость извлекаемого из КБО связующего битумного порошка определяется с учетом местных (региональных) условий его производства, и она может быть различной. Поэтому для упрощения расчета будем ориентироваться на стоимость 1-й тонны порошка из КБО по ценам на январь 2015 г. в Брестском регионе, которая составляла 516 тыс. руб. за 1 т.

Потребителями данной продукции в основном являлись физические лица и индивидуальные предприниматели. В 2014 г. в деле было использовано (табл. 3) 2887,1 т. связующего порошка из КБО, стоимость которого составила (2887,1х516) 1,49 млрд руб.

Принимая ставку дисконтирования, например, 20% от реализации такого объема связующего порошка из КБО в течение года от суммы 1,49 млрд руб., дисконтированный денежный поток в государственный бюджет составил 298 млн руб. При переработке же всего объема образованных отходов из КБО (6560,4 т) в госбюджет могло бы поступить 676,5 млн руб. Курсы валют: 1 российский рубль равен 296 белорусским рублям на март 2016 г. Однако нехватка специальных машин для переработки отходов в крошку-дробленку вынуждает большую часть отходов просто зарывать в землю.

При извлечении ВМР из отходов производства и потребления ключевыми в их утилизации являются специальные машины, которых, к сожалению, недостаточно не только в областных городах, но и в районных центрах Беларуси.

В настоящее время в Беларуси ставится широкомасштабная задача по извлечению 100% ВМР из отходов производства и потребления на мусороперерабатывающих заводах, линиях сортировки и на полигонах ТБО и ТКО. Разработанные БрГТУ и изготавливаемые в Брестском регионе мелющий агрегат «Измельчитель БТМ-1» (рис. 4) и «Классификатор» (виброгрохот) [5, 6, 7] могут решить эту проблему не только в Беларуси, но и в экспортном варианте на внешних рынках.

Измельчать на этих агрегатах можно вторичное сырье из производственных и коммунальных отходов в крошку-дробленку и порошок фракции крупностью до 20 мм. Применяя их в сочетании друг с другом, можно получать самые разнообразные материалы. При этом будет осуществляться полезная регенерация ВМР. Регенеративное сырье по качеству, как правило, не уступает первоначальному. А это важно, чтобы потребители, применяющие ВМР в деле, не рисковали и не сомневались в надежности их эксплуатационных свойств в новых видоизмененных соединениях в материалах и конструктивных изделиях. В этом случае связующий порошок из КБО, пластифицированный горячим (огневым) или холодным (растворителями) способами, выполняет роль матрицы, объединяющей в прочную конструктивную систему регенерированное сырье, например, дробленки из асбестоцементных листов, резины, ДВП, ДСП. Но на полигонах ТБО особенно обширный спектр содержания полимеров: ПЭТ (в том числе и молочный, который практически никто не сортирует), пленка, грязный полимер, окна ПВХ, пластиковая тара, канистры, бочки. Кроме того, на свалках сосредоточено огромное количество грязных стаканчиков из бумаги для кофе, покрытых пластиком, и упаковки из фольги, которые не перерабатываются. Такие полимер-бумажные отходы, как правило, на свалках увлажнены до 10-12% (но это не является помехой для получения из них дробленки на «Измельчителе БТМ-1») и после измельчения могут быть использованы в холодных асфальтовых соединениях [4]. Все эти отходы совместимы в прочной и объединяющей матрице из пластифицированного горячим или холодным способами битумного порошка. Их, как регенерированное сырье, необходимо вторично применять в деле. Например, в практике известен фибрит битуминозный в плитах (разновидность фибролита), изготавливаемый из смеси древесных стружек, опилок, растительной костры на битуминозных вяжущих в виде пасты или эмульсии из кондиционного битума. Все компоненты, входящие в этот материал, представляют собой первичный сырьевой ресурс. Аналогичный материал можно получить, применяя связующий порошок из КБО и из полимеров, составляющих ТБО.

На основе регенератов, упомянутых выше, могут быть изготовлены гидро-, тепло- и звукоизоляционные сборные и монолитные строительные материалы. Измельченные в порошок КБО пластифицируют горячим или холодным способом и как связующее сырье применяют в асфальтовых смесях с заполнителями, включая измельченные ТКО, ТБО и другие отходы. Такие смеси рекомендуется применять в горизонтальных и вертикальных разделительных элементах конструкции различных зданий, одновременно выполняя функции выравнивающего гидро-, тепло- и звукоизолирующего слоя. Смешивание асфальтовых компонентов будет осуществляться на месте приготовления сборного или монолитного материала на отечественных мобильных асфальтоварочных установках [1].

Применяя связующий порошок из КБО как объединяющую матрицу в расчете, например, 7-10% от массы дробленки из полимер-бумажного сырья в получаемой новой деловой конструкции, можно было бы использовать таких отходов в 10-12 раз больше массы связующего. Или, используя КБО массой 6560,4 т (табл. 3) как связующее сырье с применением заполнителей из ВМР, можно изготовить деловой продукции массой (объемом) 70 тыс. т (м³). А это объем ликвидированного полигона ТБО или ТКО размерами 700х100х1 м³.

Экономический эффект от производства и применения ВМР можно вычислить следующим образом. Планируемый (фактический) прирост прибыли от производства ВМР определяется по формуле:

ΔПt = (Цt – Сt)Аt – (Ц1 – С1)А1, (1)

где ΔПt – планируемый прирост прибыли в t-м году, руб.; Цt и Сt – соответственно, оптовая цена (без налога с оборота) и себестоимость производства единицы ВМР в t-м планируемом году, руб.; Ц1 и С1 – оптовая цена (без налога с оборота) и себестоимость производства заменяемой продукции в году, предшествующем внедрению новой техники, руб.; Аt и А1 – объем производства ВМР в t-м планируемом году и заменяемой продукции в году, предшествующем внедрению новой техники, в натуральных единицах.

Планируемое (фактическое) снижение себестоимости (прирост прибыли) от внедрения новой технологии, механизации, а также от использования ВМР у потребителя определяется по формуле:

ΔСt = (С1 – Сt)Аt, (2)

где ΔСt – планируемое снижение себестоимости (прирост прибыли) в t-м году, руб.; Сt и С1 – себестоимость производства единицы продукции t-м году и году, предшествующем внедрению новой техники, руб.; А1 – объем производства в t-м планируемом году в натуральных единицах.

Цены на производство ВМР из отходов, извлекаемых в различных условиях на мусороперерабатывающих заводах или полигонах, и их использование в деле в каждом регионе страны будут разными. Что же касается производства из ВМР новых видоизмененных соединений, то целесообразно использовать технологию измельчения сырья в крошку-дробленку и порошок определенной фракции. Такое подготовленное сырье из ВМР удобно складировать и хранить в буртах, оно хорошо перемешивается в горячих и холодных смесях, обладает удобоукладываемостью в монолитных и сборных конструкциях, хорошо омоноличивается в однородную массу с различными органическими и минеральными вяжущими. В качестве связующих в таких смесях могут быть использованы порошки из КБО и битумов твердых марок, а также цемент и известь. Многообразие вяжущего сырья позволяет быстро, всесезонно и с большим экономическим эффектом утилизировать огромные объемы отходов производства и потребления.

Доминирующим в этой технологии является процесс мельничного дробления отходов на отечественном «Измельчителе БТМ-1» конструкции БрГТУ, который с развитием добросовестной конкуренции предлагается применять на внутреннем рынке, а также в экспортном варианте на внешних рынках. При этом следует иметь в виду и создание большого количества новых рабочих мест во всех крупных населенных регионах. А машины и технологии предусматриваются не для разового использования, а для постоянного, так как отходы производства и потребления образуются всегда и их необходимо утилизировать.

Библиографический список

1. Устинов Д.Б. Технология и машины для переработки кровельных битумных отходов в композиционный вяжущий порошок для вторичного применения его в производстве // Кровельные и изоляционные материалы, № 4, 2011, с. 27-31.

2. Устинов Д.Б. Патент BY 18309. Способ захоронения токсичных отходов и состав сорбента для их обезвреживания, 2014.

3. Устинов Б.С., Устинов Д.Б. Сухие дисперсные смеси на основе измельченных строительных битумных отходов с минеральными экокомпонентами // Сухие строительные смеси, № 6 (32), 2012, с. 22-25.

4. Устинов Б.С. Патент BY 4175. Способ приготовления битумных смесей, 2001.

5. Устинов Б.С., Устинов Д.Б. Патент BY 13310. Измельчитель твердых битумных материалов, 2010.

6. Устинов Д.Б. Пат. BY 16632. Измельчитель, 2012.

7. Устинов Б.С., Устинов Д.Б. Патент BY 9992. Виброгрохот, 2007.