Утилизация пластика в дорожном строительстве

С момента разработки пластика (или синтетической смолы) в 1950-х годах его преимущества, такие как экономичная цена, малый вес и устойчивость к нагреву и коррозии, привели к экспоненциальному росту использования пластиковых изделий и образования пластиковых отходов. Пластиковый материал – это любой материал из широкого спектра синтетических или полусинтетических органических твердых веществ, поддающихся формовке. Пластик является типичным органическим полимером с высокой молекулярной массой, но также он может содержать и другие вещества, обычно это синтетические материалы, получаемые из нефтехимических продуктов. Пластмассы обладают многочисленными свойствами, которые делают их лучше других материалов во многих применениях. Пластмассы обычно обладают устойчивостью к коррозии, химикатам и воде, а также ударам, у них высокое соотношение прочности и влажности, низкая электрическая и тепловая проводимость, хорошая долговечность, низкая стоимость, простота производства, а также они обладают низкой токсичностью.

Мировая статистика показывает, что пластиковые отходы, как правило, выбрасываются в окружающую среду или попадают на свалки (79%), подвергаются сжиганию (12%) или переработке (9%) [2]. Очень много использованного пластика уходит в утиль, а значительная его часть попадает в водные пути, из-за чего большую часть нельзя переработать. А процесс переработки пластика в высококачественные материалы (например, пищевую упаковку) занимает много времени и стоит дорого. Более того, жизненный цикл этого пластика продолжается, так как он будет снова использован, где снова может превратиться в отходы.

Использование пластиковых отходов в дорожном строительстве – относительно новая идея, до сих пор не было построено ни одной дороги полностью из пластмасс. Первопроходцем использования пластиковых отходов при асфальтировании дорог стала индийская компания KK Plastic Waste Management Ltd. Еще в 2002 году ее инженеры предложили миру полимерную смесь KK Poly Blend, состоящую из переработанных ПЭТ бутылок, пластиковых стаканов и пакетов. Из Индии данная идея распространилась по всему миру (Великобритания, Канада, Нидерланды).

 Полимерные отходы имеют потенциал для использования в дорожном покрытии, так как его добавление в небольших дозах (около 5-10% к битуму) помогает существенно улучшить стабильность, прочность, износостойкость и другие свойства битумных смесей, что приводит к улучшению долговечности и эксплуатации покрытий. Однако некоторые специалисты говорят, что переработанные пластмассы могут либо заменять заполнители, либо служить в качестве вяжущего модификатора [3, 4].

Процесс создания строительного материала для дорожного покрытия идет в несколько этапов:

a) Сортировка. Пластиковые отходы, собранные из различных источников, должны быть отделены от других отходов. Максимальная толщина составляет 0,06 мм;

б) Процесс очистки. Пластиковые отходы очищаются и высушиваются;

в) Процесс измельчения. Очищенный материал измельчается или режется на мелкие кусочки. Различные типы пластиковых отходов смешиваются вместе;

г) Процесс сбора/ Пластиковые остатки размером 2-3 мм собираются.

Далее эти пластиковые остатки используются в битумных горячих смесях для дорожного строительства, которые производятся либо по "сухому", либо по "мокрому" способу. Сухой процесс считается простым, экономичным и экологически чистым, в то время как мокрый процесс требует больше инвестиций и оборудования, и поэтому не является широко используемым.

В сухом процессе переработанные отходы пластика измельчаются и добавляются к горячему заполнителю, после чего нагреваются до 170 ºC. Пыль и другие примеси не должны превышать 1%. Полученные материалы плавятся, а, следовательно, и размягчаются, образуя покрытие вокруг заполнителя. Отдельно нагретый битум до 160 ºC смешивают с получившимся заполнителем и используют в строительстве дорог.

В мокром процессе переработанные отходы пластика в виде порошка добавляются в горячий битум. Порошкообразные отходы пластика непосредственно смешиваются с битумом перед добавлением их в заполнители. Необходимо обеспечить равномерное смешивание пластика и битума, а температурный диапазон для этого метода составляет от 155ºC до 165ºC.

Лабораторные исследования проводились в Центре Транспортной инженерии Бангалорского университета по возможности использования переработанных пластиковых пакетов в качестве добавки в битумобетонных смесях [1]. Переработанные пластиковые пакеты использовались в качестве добавки к разогретому битуму в различных пропорциях (от нуля до 12 % по весу от веса битума) и хорошо перемешивали вручную, чтобы получить модифицированный битум. Эти свойства сравнивались с обычным битумом. Было замечено, что проникающая способность и вязкость модифицированного битума уменьшались по мере увеличением доли пластичной добавки до 12 % по массе. Температура размягчения модифицированного битума увеличивалась при добавлении пластичной добавки до 8,0 % по массе.

Смесь каменного заполнителя (в соответствии со спецификацией) переносится в смесительный цилиндр, где она нагревается до 1650 ºC (согласно спецификации IRC) и затем передается в смесительную установку (температура может контролироваться с помощью инфракрасного термометра), при перемещении горячего заполнителя в установку, рассчитанное количество измельченного пластика распыляется на горячий заполнитель в течение 30 секунд. Распыленная пластмасса плавится и покрывает заполнитель, образуя таким образом маслянистое покрытие. Аналогичным образом, битум нагревается до максимальной температуры 1600 ºC в отдельной камере и хранится в готовом виде (температура должна контролироваться для обеспечения хорошего связывания и предотвращения слабого связывания). В смесительной установке горячий битум добавляется поверх, и полученная смесь используется для дорожного строительства. Температура укладки дороги составляет от 1100 ºC до 1200 ºC. Используется каток нормальной 8-тонной мощности.

Долговечность дорог, уложенных с использованием измельченных пластиковых отходов намного выше по сравнению с дорогами с асфальтом из обычной смеси. Дороги, уложенные с использованием смеси из пластиковых отходов, оказались лучше, чем обычные. Связующее свойство пластика делает дорогу более долговечной, а также придает дополнительную прочность, чтобы выдерживать большие нагрузки. В то время как обычная дорога «высокого качества» служит от четырех до пяти лет, утверждается, что дороги из пластика и битума могут прослужить до 10 лет. Дождевая вода не просачивается через дорогу благодаря пластику в гудроне. Таким образом, эта технология приведет к уменьшению ремонта дорог. А поскольку каждый километр дороги средней ширины требует более двух тонн полисмеси, использование пластика поможет сократить количество неразлагаемых отходов. Стоимость строительства дорог из пластика может быть несколько выше по сравнению с традиционным методом. Однако это не должно препятствовать внедрению данной технологии, так как выгоды намного превышают затраты. Пластиковые дороги станут преимуществом для жарких и чрезвычайно влажных климатических условий, где температура часто переваливает за 50°C, а проливные дожди создают хаос, оставляя большинство дорог без покрытия, оставляя большие выбоины. В Индии уже проведено испытание километровой трассы с использованием этой технологии. Правительство стремится поощрять создание небольших заводов по смешиванию отходов пластика и битума для строительства дорог.

Преимущества данной технологии следующие:

• улучшенная устойчивость к образованию трещин, инициированных поверхностью, благодаря высоким содержанием связующего;
• улучшенная стойкость к старению и окислению;
• улучшенная устойчивость к разрушению от усталости и отражению трещин благодаря высокому содержанию связующего;
• улучшенная устойчивость к колееобразованию благодаря более высокой вязкости точки размягчения;
• улучшенная видимость в ночное время благодаря контрасту между дорожным покрытием и полосой;
• снижение шума от шин благодаря увеличению толщины пленки связующего вещества и текстуры разрыхления;
• сокращение времени строительства на стройплощадке;
• снижение затрат на содержание дорожного покрытия благодаря улучшению качества дорожного покрытия;
• помощь в утилизации опасных отходов;
• экологически чистый метод строительства, который помогает поддержанию баланса окружающей среды.

В Липецкой области нашли способ улучшить качество дорожного покрытия и при этом решить проблему с утилизацией и переработкой пластика. Для строительства асфальта специалисты предлагают задействовать смесь использованных пластмасс – измельченных и расплавленных пакетов, бутылок и упаковок для закусок. При этом возможны две разные концепции: частичная замена битума пластиком и модульные дороги из переработанного пластика

Есть надежда, что в ближайшем будущем удастся создать прочные, долговечные и экологически чистые дороги, которые позволят снизить объем пластиковых отходов.

1. Бессонов Д.В., Бессонов М.Д. Эффективный модификатор асфальтобетонов на основе пластиковых отходов // Умные композиты в строительстве. 2021. №4. [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnyy-modifikator-asfaltobetonov-na-osnove-plastikovyh-othodov (дата обращения: 17.10.2022).
2. Лысянников А.В., Третьякова Е.А., Лысянникова Н.Н. Переработанный пластик в дорожном строительстве // Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. №7. [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/pererabotannyy-plastik-v-dorozhnom-stroitelstve (дата обращения: 17.10.2022).
3. Gawande, Amit, et al. "An overview on waste plastic utilization in asphalting of roads." Journal of Engineering Research and Studies 3.2 (2012): 1-5.
4. Geyer, R., Jambeck, J. R., and Law, K. L. (2017). Production, use, and fate of all plastics ever made. Sci. Adv. 3:e1700782. doi: 10.1126/sciadv.1700782.