Экологические аспекты строительства дорожного полотна с добавлением резины
Введение
50 лет назад, когда области использования резины не были так многочисленны, создание мостовых из резины для снижения шума и обеспечении чистоты улиц считали перспективным. Сама идея резиновых мостовых родилась более 100 лет назад. Еще в 1870 г. в Англии у одного из лондонских вокзалов был проведен первый опыт устройства резиновой одежды для мостовой. Все булыжники покрыли слоем резины толщиной 5 см. Более целенаправленные эксперименты с резиновыми мостовыми в Англии начались в 1913 г. Тогда на рынке появились так называемые торцы, призванные заменить камни мостовых. Они были различных размеров и форм и состояли из нескольких слоев резины. Нижние слои были более твердыми, а верхние - мягкими.
Во Франции в это же время дело создания резиновых мостовых шло по другому пути. В основу работ были положены исследования инженера де Годемберга, создавшего монолитный резиноасфальтовый слой, в который входил измельченный каучук. Но во время дождя такие мостовые становились скользкими, и Франция тоже перешла на применение торцов. Верхний рабочий слой таких торцов в основном состоял из регенерированного каучука, а нижние - из каучука с различными наполнителями: песком, цементом, известковой пылью. Однако высокая стоимость таких дорог сводила на нет все их преимущества.
Известный русский строитель дорог прошлого века инженер А. Дельвиг считал, что причиной порчи дорог является застой воды в земляном полотне с осени. Весной же освобожденная от снега полоса дороги быстро оттаивает, а находящаяся вокруг мерзлота не дает воде выхода. Полотно раскисает и проседает. Подобный простой, и правильный вывод сделали еще инки, однако во времена Дельвига эта мысль считалась новой и смелой.
Взять хотя бы асфальтобетонное покрытие. Вода проникает под битумную пленку, разрывает ее и не позволяет связующему выполнять свою функцию - соединять в единое целое компоненты асфальтобетона. В конце 50-х гг. во многих странах в него не начали добавлять некоторое количество резины. Первые пять лет никакой разницы не было, по затем дороги без резины покрывались трещинами, а дороги с резиной оставались гладкими. Позднее появились и специальные резины для дорожного строительства. Например, сотрудники Союз ДорНИИ предложили вводить в асфальтобетон термоэластопласты - материалы, сочетающие прочность пластмасс и эластичность резины.
В семидесятых годах на дорогах появились тяжёлые грузовики, с мощными дизелями. В результате повысились требования к качеству покрытия. Асфальтобетон, содержащий всего 2-2,5% термоэластопласта, становится чрезвычайно стойким к воде. Этот материал использовали в Киеве при сооружении подвесного моста через Днепр. Нужно было уменьшить нагрузку, приходящуюся на опоры. Тонкий слой нового дорожного покрытия был легким и прочным. Выявилось и еще одно положительное качество материала, особенно важное при строительстве покрытий на мостах, где гололед бывает чаще: он обладал хорошими фрикционными свойствами. Но применять подобные покрытия приходится только в исключительных случаях, слишком они дороги.
Сейчас во всем мире для дорожного строительства широко используется вторичное сырье, каким являются отработавшие свой срок покрышки. Известно, что устойчивость автомобиля во многом зависит от дороги. Особенно устойчив автомобиль на дороге, покрытой гудроном. Японские специалисты предложили заменить дорогостоящий битум измельченными в крошку покрышками. В смеси с цементом, силикатом натрия и другими веществами крошка образует покрытие, которое прочнее и надежнее асфальтового. Устойчивость автомобиля в дождливую погоду на таком покрытии выше, чем па обычном, а тормозной путь машин сокращается наполовину. Покрытия с резиновой крошкой широко применяются и в Швеции - здесь крошку смешивают с асфальтом и графитом.
Статистика образования шинных отходов
резина автошина экологический канцерогенный
Крупнейшими регионами образования шинных отходов в настоящее время являются США, ЕС и Япония.
В США ежегодный объем образования вышедших из употребления автопокрышек оценивается в 4,1-4,5 млн. тонн (299,2 млн. шин) в год. По имеющимся данным, на конец 2007 года в стране было накоплено 128 млн. изношенных шин. При этом на период с 1990 года свалки покрышек сократились в США на 87%. Оставшиеся места складирования шин представлены в 7 штатах: Алабама, Аризона, Колорадо, Массачусетс, Мичиган, Нью-Йорк и Техас. Текущий уровень переработки изношенных шин в США составляет около 86%.
По данным Европейской Ассоциации по вторичной переработке шин в 2008 году в странах ЕС было образовано около 3,3 млн. тонн использованных автомобильных шин. И только 6% совокупного объема отходов было отправлено на захоронение.
В Японии в 2008 году было образовано 96 млн. штук изношенных автопокрышек (1056 тыс. тонн). Уровень переработки за аналогичный период составил 88.5%.
Если говорить о масштабах такого явления, как шинные отходы в России, то, оценочно, на сегодняшний день объем выбрасываемых изношенных шин составляет около 850 тысяч тонн в год. Оцениваемый объем механической переработки шин в России не превышает 17% от общего объема ежегодных шинных отходов. Еще до 20% изношенных шин сжигается. Оставшийся объем приходится на захоронение. При этом к 2015 году объем ежегодно образующихся в России шинных отходов может достичь уже 935 тысяч тонн в год.
Экологические аспекты утильных автошин
Американские и шведские специалисты провели исследование, в результате которого выяснилось, что покрышки - довольно опасная часть автомобиля: пыль, возникающая вследствие износа резины, может вызывать серьезные заболевания. Например, только в одной Швеции в атмосферу ежегодно выбрасывается около 10 000 тонн резиновой пыли. В Лос-Анджелесе ежедневно выбрасывается около 5 тонн (и это при том, что Лос-Анджелес считается экологически чистым городом). А всего же во всем мире количество этих выбросов составляет более 1 миллиона тонн. Путем простых расчетов шведские ученые определили, что каждый день обычный гражданин Швеции вдыхает 6 граммов резиновой пыли, а американец - 13.
Что же касается России, то по предварительным оценкам этот показатель может доходить до 20 граммов на человека ежедневно.
Выброшенные на свалки либо закопанные шины разлагаются в естественных условиях не менее 100 лет. Даже если резина не эксплуатируется, она выделяет определённое количество химических веществ (всего их может насчитываться до 100). Наиболее вредными канцерогенами являются бензапирен и другие полиароматические углеводороды, которых в шинах обнаружено до 15 соединений. Также в резине есть 4 из 12 видов N-нитрозаминов. Все эти вещества входят в список опасных токсикантов, который составляют Международная организация по исследованию рака и Агентство по охране окружающей среды США.
По оценкам исследователей, в резиновой пыли содержится больше канцерогенных веществ, чем в выхлопных газах двигателей, которые до этого считались традиционными источниками загрязнения окружающей среды.
Контакт шин с дождевыми осадками и грунтовыми водами сопровождается вымыванием ряда токсичных органических соединений: -1-(3-метилфенил)-этанона, азулена, бензотиазола, 2-метилбензотиазола, N-(2,2-диметилпропил)-N-метилбензамин, бутилированный гидрокситолуола, диэтилфталата (обладает выраженными кумулятивными свойствами), 2-(метилтио)-бензотиазола, дифениламина (класс опасности 3), дибутилфталата, фенантрена (класс опасности 2, обнаружена канцерогенность на мышах).
Резина, являющаяся высокомолекулярным материалом, относится к термореактивным полимерам, которые в отличие от термопластичных не могут перерабатываться при высокой температуре, что создает серьезные проблемы при вторичном использовании резиновых отходов.
Резиновый пожар, вошедший в анналы истории шинных свалок Америки, случился неподалеку от калифорнийского городка Вестли, в одном из горных каньонов, годами служившем местом сброса старых шин. Этот пожар поставил под угрозу целый фермерский район, который не только покрылся черным облаком ядовитого дыма, но и вынужден был восстанавливать коммуникации, залитые потоками токсичных нефтяных отходов, образовавшихся из сгоревших шин. Государственное Агентство по Охране Окружающей СредыU.S. Environmental Protection Agency потратило 3.5 млн. долларов, чтобы потушить пожар, продолжавшийся 30 дней.
При сгорании шин образуются такие химические соединения, которые попадая в атмосферный воздух, становятся источником повышенной опасности для человека. В этом процессе всегда образуются такие органические соединения, как пирен (класс опасности 1, опасен при поступлении через кожу), фенантрен (класс опасности 2, обнаружена канцерогенность на мышах), антрацен (канцероген), флуорантен,. Кроме того, в зависимости от условий сгорания может образовываться также ряд других органических соединений того же класса - нафталин (канцероген, обнаружено мутагенное действие), 2-метилнафталин, бифенил, аценафтилен (канцероген), флуорен (канцероген), аценафтен (канцероген), бенз[a]антрацен, хризен (канцероген), бенз[a]пирен (особо опасный канцероген), дибензо[a,h]антрацен (особо опасный канцероген).
Не случайно, что Европейский Совет 2 апреля 1999 принял специальную Директиву "О свалках", по которой с 2003 г. вводится запрет на их сжигание.
Отечественный и зарубежный опыт применения резины в дорожном строительстве
Из целого ряда публикаций известно, что в течение длительного периода времени предпринимались многочисленные попытки утилизировать резину путем введения ее в битумы и асфальты в надежде улучшить их свойства. В основном разрабатывались два направления.
Были разработаны многочисленные методы и технологические схемы, так называемого, «сухого» введения частиц резины в асфальтобетонные смеси при их изготовлении, прямого использования резиновой крошки как наполнителя в дорожно-строительных материалах, в асфальтобетонных покрытиях. Считается, что это наиболее простая и низкозатратная схема использования утильной резины.
В различных странах и регионах были построены экспериментальные участки дорог и аэродромов. Вначале они показывали достаточно высокие характеристики, но затем, при постепенном набухании резиновой крошки, покрытия разуплотнялись и разрушались. Ничем не связанная резиновая крошка выкрашивалась из покрытий и в практически неизменном виде разносилась ветром, загрязняя окрестности.
Некоторое применение «сухой» метод нашел в производстве асфальтобетонов для нижних слоев и слоев оснований, где проблема разуплотнения и выкрашивания резины решалась за счет перекрытия верхними плотными слоями. В литых асфальтобетонных смесях «сухое» введение резиновых частиц также оказалось возможно без явных отрицательных последствий. Однако в данном случае говорить об осуществлении действительно «сухого» введения резины не представляется возможным.
В так называемых «мокрых» методах модификации, основанных на разложении и девулканизации резины в битумах при высоких температурах, происходил выброс токсичных веществ, содержащихся в резине, а образовавшиеся жидкие низкомолекулярные каучуковые фрагменты фактически пластифицировали битум и снижали адгезию вяжущего, понижая сдвиговые показатели асфальтобетона и его водостойкость. Кроме того, мелкодисперсная сажа из резины, в большом количестве попадая в битум, становилась дополнительным источником центров кристаллизации, резко понижая стабильность вяжущих, их устойчивость к старению и деградации свойств.
По тем же причинам не оправдали себя и способы введения в битумы высокодисперсных резиновых порошков с сильно развитой и модифицированной поверхностью. При введении таких высокоактивных добавок существенно изменялись привычные приемы обращения с битумными вяжущими, например резко сокращался их срок хранения при технологических температурах.
В нашей стране исследования по введению резиновой крошки в дорожный битум и битумоминеральные смеси проводились Н.В.Горелышевым, А.И.Лысихиной, Г.К.Сюньи, И.М.Руденской, Б.М.Слепой и многими другими.
При участии СоюздорНИИ более двадцати лет тому назад были вновь начаты научно-исследовательские и опытно-внедренческие работы по применению резиновой крошки в качестве компонента минеральной составляющей асфальтобетонных смесей.
Возможность использования дробленой резины в асфальтобетоне была отражена в выпущенном в 1991 году «Пособии по строительству асфальтобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов» (Минтрансстрой). В «Пособии» отмечается, что использование дробленой резины в горячих асфальтобетонных смесях повышает долговечность покрытий, улучшает их фрикционные свойства, что позволяет уменьшить расход высокопрочного трудношлифуемого щебня. При использовании асфальтобетонов с дробленой резиной, уменьшается вероятность появления вторичных трещин на поверхности дорожного покрытия. В «Пособии» отмечается, что крупность зерен резины должна быть не более 1 мм, считается, что наибольшая плотность составов асфальтобетонной смеси обеспечивается при крупности частиц резины не более 0,63 мм. Предусмотрено, что резиновая крошка может вводиться как в битум («мокрый» метод), так и непосредственно в асфальтобетонную смесь («сухой» метод). Рекомендовано содержание резиновой крошки в дорожном битуме 5-7% по массе как оптимальное. «Пособие» регламентирует основные технологические параметры введения резиновой крошки в битум или в асфальтобетонную смесь и технологию применения таких смесей при строительстве и ремонте дорожных асфальтобетонных покрытий.
Последующий анализ полученного опыта применения резиновой крошки при приготовлении асфальтобетонных смесей выявил неудовлетворительные физико-механические характеристики, в том числе и недостаточную адгезию вяжущего, по сравнению со смесями, выпущенными в соответствии с нормами ГОСТ 9128, что приводило к затруднениям при укладке и самопроизвольному разуплотнению и разрушению уложенных верхних слоев покрытий.
Применение резиновой крошки с размерами частиц 2-8 мм в асфальтобетонных смесях приводило к снижению срока службы асфальтобетонных покрытий из-за «невозможности формирования однородного материала, способного к восприятию нагрузок», хотя при этом в начальный период эксплуатации таких покрытий (непосредственно после укладки) отмечалась повышенная трещиностойкость и бóльшая деформативность, водостойкость, снижение уровня шума и вибрации, уменьшение случаев образования ледяной корки, повышение сцепления, сокращение тормозного пути автомобиля.
В действительности только одна из разновидностей «мокрого» метода получила достаточно широкое распространение сначала в США, а затем и в других странах (Канада, Испания, Португалия, Южная Африка, Бразилия и др.).
Так называемый прорезиненный битум, «Asphalt Rubber», был изобретен в конце 1960-х Чарльзом Макдоналдом. Он искал состав для того, чтобы заделать широкие «крокодиловые» трещины в асфальтовых покрытиях на бетонных основаниях, и достаточно долго продолжал работу прежде, чем запатентовал состав и его применения. Ранние полевые испытания в проектах между 1988 и 1992 гг., показали, что перекрытие слоем на основе Asphalt Rubber уменьшает растрескивание и затраты на обслуживание, повышает надежность как в жарком, так и в холодном климате и, что в то время было весьма удивительно, значительно уменьшает собственный шум шоссе.
Патентованный материал представляет собой по существу механическую смесь 20% дробленой шинной резины и 80% специального остаточного битума, обогащенного ароматическими фракциями. Частицы резины достигают размера зерен кофе и при смешении с горячим битумом набухают, образуя гелеподобную массу, обладающую превосходными упругими свойствами при растяжении. Резина в AR деструктирует (или девулканизируется) в степени, достаточной для прохождения частичной самовулканизации.
Вначале Asphalt Rubber было очень трудно использовать, поскольку не было надлежащего смесительного и насосного оборудования, которое могло бы работать с такими высоковязкими и неоднородными вяжущими. Понадобились многочисленные эксперименты, зачастую ошибочные, чтобы разработать оборудование и получить материал, который в настоящее время является привычным продуктом. В конце концов эти усилия привели к тому, что было осуществлено перекрытие магистрали Феникс Метрополитэн с помощью горячих асфальтобетонных смесей на основе AR с целью снижения шума от движения транспорта. Применение слоя из асфальтобетона на основе AR толщиной 1 дюйм на поверхности бетонного покрытия заметно снижает уровень шума от шин и последние исследования показали, что эта магистраль имеет в США самую тихую (низкошумную) поверхность из измеренных до настоящего времени.
Все последующие попытки применения «мокрого» метода совмещения битумов с резиной являлись развитием метода AR. К сожалению, отечественные дорожники не располагают необходимым оборудованием для повторения технологии AR. Но самое главное, отсутствуют отечественные битумы, подходящие по своему химическому составу и свойствам для использования в составе AR. За рубежом битумы необходимого химического качества как целевые продукты получают методами низкотемпературной вакуумной отгонки практически из исходной нефти.
Дорожные покрытия. В США, Бельгии, Австрии и Японии получены хорошие результаты при использовании резиновой крошки в дорожном строительстве: значительно повышается износостойкость и снижается шумообразование, повышается морозостойкость, в три раза увеличивается срок службы, сокращается тормозной путь.
Существует два способа изготовления резиноасфальта: первый - химическое взаимодействие крошки с компонентами асфальта, второй - крошку вводят в асфальт в качестве наполнителя, подобно щебню и песку.
Асфальт, содержащий резину, почти 30 лет применяют в штатах Аризона, Калифорния и Техас (в Аризоне проложено более 1600 км дорог с таким асфальтом). Однако об эффективности применения резиновых порошков в дорожном строительстве нет однозначного мнения. Некоторые специалисты и фирмы не видят технических преимуществ асфальта с содержанием резины, которые оправдывали бы его высокую стоимость. Считают, что для обеспечения конкурентоспособности резиновый асфальт должен быть дороже обычного не более чем на 10 %. Однако цены на асфальт, содержащий резину, на 10... 100 % больше цен обыкновенного асфальта. Так, цена 1 т асфальтов, содержащих резину, составляет: ультратонкого Роуза - 41 долл.; системы «Плюс Райд» - 46; системы «Ариона» - 47 долл., а цена за 1 км пути соответственно 71 280,78 400,95 623 долл. США, что значительно больше цен на обычные асфальты.
В США покрытие дорог асфальтом с содержанием резины оказалось намного дороже, а качество покрытия не отличалось от обычного асфальта. Несмотря на это, новый закон о транспорте поддерживает применение асфальтовых покрытий с содержанием резины.
В Японии резиновую крошку с размерами частиц менее 1 мм используют для изготовления балластных и пластинчатых матов, применяемых для предотвращения колебаний полотна железных дорог.