Вторичное использование отходов кровельных материалов и старого асфальтобетона в США и Канаде

Встатье рассмотрен опыт использования отходов ремонта мягких кровель в США и Канаде. Приведены результаты исследования по подбору оптимальной асфальтобетонной смеси на вяжущем из отходов кровельных материалов.

Ключевые слова: битум, кровельные отходы, вяжущее, асфальтобетонная смесь.

При строительстве и реконструкции зданий и сооружений образуется от 7 до 10 млн. тонн отходов ремонта мягких кровель [1]. При производстве новых кровельных материалов брак составляет от 750 тыс. до 1 млн. тонн. В сумме это составляет более 2 млн. тонн нефтяного битума, вторичное использование которого сократит его потребность в дорожном строительстве.

Отходы кровельных материалов содержат от 19 до 36 % битума [2]. Помимо битума в составе битумного порошка содержатся механические примеси. Они состоят как из минеральной части — мелкого песка, так из органической — бумажных волокон, получившихся в результате разрыва основы.

Битум, используемый для дорожного строительства отличается от кровельного. Для того чтобы определить каким образом изменяются физико-механические показатели получаемого битумного вяжущего необходимо исследовать показатели исходных материалов. Учеными из университета Миннесоты были проведены исследования по определению процентного содержания и марки вторичного битума в битумосодержащих отходах. Результаты приведены в таблице 1

Таблица 1

Свойства вторичного битума вбитумосодержащих отходах

Примечание * — класс PG вяжущего определяется с учетом климатических условий и требуемого сопротивления дорожного покрытия. Например, PG 58–28 означает, что вяжущее должно обладать способностью сопротивления в диапазоне от T = -28 °C (уровень низкой температуры) до T = +58 °C (уровень высокой температуры).

При проектировании оптимального состава учеными исследовательского проекта Департамента транспорта Миннесоты [3] были подобраны следующие составы (cм. Таблица 2).

Составы вяжущего из битумосодержащих отходов

В смеси с отходами ремонта мягких кровель диапазон температур Тк увеличился на несколько градусов, а при добавлении в смесь бракованных материалов она практически не изменилась. Показатели прочности при растяжении в разных диапазонах температур значительно не изменяются в результате добавления кровельных отходов.

Аналогичные исследования были проведены на асфальтобетонном заводе в Канаде [4]. Результаты показали, что в смеси, содержащей 15 % старого асфальтобетона и 5 % кровельных отходов, увеличился диапазон температур вяжущего с PG 70–22 до PG 76–16. В составе, содержащем 50 % отходов старого асфальтобетона, менялась только минимальная температура. Полученные результаты подкрепили выводы, сделанные группой ученых во главе с Кривитом в 2007 году [5] в том, что показатели битумного вяжущего в большей степени зависят от процентного содержания кровельных отходов.

В 1998 году Уотсон и его сотрудники изучали старение вяжущего в отходах ремонта мягких кровель и при производстве новых кровельных материалов [6]. Они обнаружили, что вяжущее в смесях, содержащих отходы ремонта мягких кровель, старели ощутимо сильнее. Тем не менее, данный показатель обоих составов смесей по истечении двух лет был аналогичным.

В 1993 году Ньюкомб [7] и его сотрудники доказали, что введением в состав щебеночно-мастичных асфальтовых (ЩМА) смесей отходов ремонта мягких кровель можно заменить от 25 до 40 % первичного вяжущего. Аналогичные результаты были получены учеными из Невады и Нью-Джерси.

Группой исследователей [8] была проведена серия опытов по частичной замене первичного вяжущего в асфальтобетонных смесях. По сравнению с контрольной смесью с 5,2 % битума, для смеси со вторичным битумом необходимо лишь 3,8 % первичного битума при содержании отходов ремонта мягких кровель 7,5 %. Они обнаружили, что физико-механические показатели смеси с кровельными отходами и обычной асфальтобетонной смеси заметно не отличались друг от друга. Таким образом, что использование отходов ремонта мягких кровель может снизить потребность в первичном вяжущем в асфальтобетонной смеси от 20 до 30 %.

Использование 5 % переработанной битумной черепицы либо на основе картона, либо на основе стекловолокна приводит к существенному уменьшению восприимчивости к низким температурам [7].

Когда Мидлтон и Форфайлоу [8] сравнили модули упругости первичной смеси и смесей с отходами старого асфальтобетона и кровельных материалов, было зафиксировано увеличение прочностных показателей, полученных испытаниями при 5°С и 25°С на 30 %.

Баадж и Парадис [9] изучали сопротивляемость термическому крекингу смеси ЩМА, произведенной с использованием отходов кровельных материалов с использованием теста термального напряжения образца (ТНО). Исследования показали, что увеличение стойкости асфальтобетонных смесях с кровельными отходами к трещинообразованию при низких температурах было не существенно.

Мидлтон и Форфайлоу [8] провели опыты по определению устойчивости асфальтобетонного покрытия с разным количеством отходов старого асфальтобетона и кровельных материалов к колееобразованию методом АРА*. Рисунок 1.5 демонстрирует результаты тестирования АРА на колееобразование.

Баадж и Парадис изучали устойчивость к колееобразованию ЩМА смесей с использованием битумосодержащих отходов с помощью устройства испытания на колееобразование лаборатории LCPC (Wheel Tracker или French Rutting — FRT) [9]. Показатель сопротивляемости колееобразованию достигал практически максимального значения, указанного для этой смеси.

Рис. 1. Краткое описание результатов тестов APA* на колееобразование

Подбор состава смеси с использованием кровельных отходов такой же, как при введении старого асфальтобетона. AASHTO MP 15–06 «Применение переработанных битумосодержащих черепиц в качестве добавки в горячую асфальтобетонную смесь» представляет собой руководство для каждого штата, у которых еще нет такой спецификации. AASHTO РР 53 включает информацию по подбору состава смеси с учетом градации наполнителя черепицы и вяжущего [1]. Ряд штатов в настоящее время позволяют использовать отходы ремонта мягких кровель в асфальтобетонных смесях и разработали технические условия, и процедуры подбора состава смеси для этой цели. AASHTO РР 53–09 рекомендует учитывать следующее при подборе состава смеси с использованием ПБЧ:

– определение содержания битума в отходах ремонта мягких кровель;

– доля вторичного битумного вяжущего в общем объеме битума в смеси;

– определение марки PG и процента первичного вяжущего в новой битумной смеси.

Производство асфальтобетонных смесей, содержащих вторичный битум из кровельных отходов аналогично использованию старого асфальтобетона.

Проблему агломерации раздробленных кровельных отходов при хранении необходимо решать на асфальтобетонном заводе. Существует несколько способов предотвратить агломерации раздробленной кровли:

– дробление и измельчение материала по мере необходимости;

– перемешивание с отходами старого асфальтобетона.

Мидлтон и Форфайлоу [4] были проведены испытания по определению выбросов при производстве асфальтобетонных смесей с содержанием кровельных отходов. Из трубы рукавного фильтра анализатором газов дымовой трубы во время WMA (cистема производства теплой асфальтобетонной смеси Terex WMA от «Terex Roadbuilding») были взяты пробы. Было обнаружено снижение выбросов в атмосферу углекислого газа, окиси углерода и окисей азота на 10 %.

Литература:

1. 1. NAHB Research Center. (1998). From Roofs to Roads — Recycling Asphalt Roofing Shingles into Paving Materials Retrieved May 12,2009 from US EPA http://www.epa qov/osw/conserve/rrr/imr/cdm/ pubs/roof_br.pdf
2. Townsend. Т., Powell. J., & Xu. C. (2007). Environmental Issues Associated with Asphalt Shingle Recycling. Construction Materials Recycling Association.
3. McGraw, J., Zofka. A., Krivit, D., Schroer, J., Ol- f son. R., & Marasteanu, M (2007). Recycled Asphalt Shingles in Hot Mix Asphalt (With Discussion). Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 235–274.
4. Middleton, В., & Forfylow. R. (2009). An Evaluation of Warm Mix Asphalt Produced with the Double Barrel Green Process. Washington, DC: TRB 2009 Annual Meeting CD-ROM.
5. Krivit, D. (2007). Recycling Tear-Off Asphalt Shingles: Best Practices Guide. The Construction Materials Recycling Association.
6. 6. Watson, D. E., Johnson. A., & Sharma, H. R. (1998). Georgia's Experience with Recycled Roofing Shingles in Asphaltic Concrete. Transportation Research Record 1638,129–133.
7. Newcomb, D., Stroup-Gardiner. M, Weikle, В. & Drescher, A. (1993). Influence of Roofing Shingles on Asphalt Concrete Mix Properties. St. Paul, MN: Minnesota Department of Transportation.
8. Maliick, R В.; Teto, M. R„ & Mogawer, W. S. (2000). Evaluation of Use of Manufactured Waste Asphalt Shingles in Hot Mix Asphalt. Chelsea, MA: Chelsea Center for Recycling and Economic Development.
9. Baaj, H., & Paradis. M. (2008). Use of Post-Fabrication Asphalt Shingles in Stone Matrix Asphalt Mix 10): Autoroute 20 (Quebec). Proceedings of the Fifty-third Annual Conference of the Canadian Technical Asphalt sociation (CTAA) (pp. 365–383). Saskatoon, Saskatchewan, Canada: Polyscience Publications.