Утилизация отходов полимеров с получением композитов для дорожного строительства

П.С. БЕЛЯЕВ
М.В. СОКОЛОВ
В.А. ФРОЛОВ
УТИЛИЗАЦИЯ 
ОТХОДОВ ПОЛИМЕРОВ 
С ПОЛУЧЕНИЕМ КОМПОЗИТОВ 
ДЛЯ ДОРОЖНОГО 
СТРОИТЕЛЬСТВА
МОНОГРАФИЯ
Москва
ИНФРА-М
2025

УДК 666.964.34(075.4)
ББК 35.11
 
Б44
Рекомендовано Научно-техническим советом ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»
Р е ц е н з е н т ы:
Монастырев П.В., доктор технических наук, профессор, директор 
Института архитектуры, строительства и транспорта Тамбовского государственного технического университета, член-корреспондент Российской академии архитектуры и строительных наук;
Карманова О.А., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии органических соединений и переработки полимеров 
Воронежского государственного университета инженерных технологий;
Сумин А.А., генеральный директор ООО «ТАМБОВАГРОПРОМДОРСТРОЙ»
Беляев П.С.
Б44  
Утилизация отходов полимеров с получением композитов для 
дорожного строительства : монография / П.С. Беляев, М.В. Соколов, В.А. Фролов. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 141 с. — (Научная 
мысль). — DOI 10.12737/2155924.
ISBN 978-5-16-020048-4 (print)
ISBN 978-5-16-112592-2 (online)
В монографии рассмотрена проблема утилизации полимерных отходов на примере 
получения полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) для дорожного строительства с использованием крупнотоннажных отходов упаковки из полиэтилена высокого давления 
(низкой плотности).
Разработан состав комплексного модификатора, в котором дорогой термоэластопласт частично заменен более дешевым полиэтиленом высокого давления или его отходами. Обоснована возможность получения полимерно-битумных вяжущих с использованием такого модификатора в более дешевых и надежных стандартных вертикальных 
смесительных аппаратах с лопастными мешалками, обеспечивающих снижение энергозатрат на диспергирование полимеров при получении ПБВ по сравнению с традиционно используемым оборудованием, укомплектованным коллоидными мельницами. 
Получены зависимости показателей качества композиционного ПБВ от содержания 
модифицирующих агентов и проверена их адекватность. Представлено математическое описание процесса получения ПБВ в смесительных аппаратах вертикального типа 
с лопастными мешалками, обеспечивающее возможность решения задач оптимизации 
конструктивного параметра (диаметр мешалки) и режимной переменной (частота вращения мешалок). Приведены примеры решения задач оптимизации состава ПБВ, конструктивного параметра и режимной переменной при проектировании более дешевых 
энергоэффективных смесителей.
Для специалистов, научных работников, аспирантов и магистрантов, занимающихся исследованиями в области машиностроения, дорожного строительства и утилизации отходов полимеров.
УДК 666.964.34(075.4)
ББК 35.11
Данная книга доступна в цветном  
исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium
ISBN 978-5-16-020048-4 (print)
ISBN 978-5-16-112592-2 (online)
© Беляев П.С., Соколов М.В., 
Фролов В.А., 2024

Список основных обозначений
АБЗ — асфальтобетонные заводы;
АБС — асфальтобетонная смесь;
АПП — атактический полипропилен;
АЦП — аналого-цифровой преобразователь;
БНД — битум нефтяной дорожный;
ДСТ — дивинил-стирольный термоэластопласт;
НПС — нефтеполимерная смола;
ОАПП — окисленный атактический полипропилен;
ОСП — отходы стретч-пленки из полиэтилена;
ПААД — поверхностно-активные адгезионные добавки;
ПАВ — поверхностно-активные вещества;
ПБВ — полимерно-битумное вяжущее;
ПВД — полиэтилен высокого давления;
ПЭНП — полиэтилен низкой плотности;
ПЭ — полиэтилен;
СБС — стирол-бутадиен-стирол;
СИС — стирол-изопрен-стирол;
СКИ — изопреновый каучук;
СКМС — бутадиен-метил-стирольный каучук;
СКС — бутадиен-стирольный каучук;
СКЭПТ — этилен-пропиленовый каучук;
СЭВА — сополимер этилена с винилацетатом;
ТЭП — термоэластопласт;
ЭБА — этиленовый сополимер с бутилакрилатом;
ЭВА — этиленовый сополимер с винилацетатом;
bоп — ширина отражательных перегородок, м;
D — диаметр аппарата, м;
dк — средний диаметр капель дисперсной фазы, м;
dм — диаметр мешалки, м;
T
D  — коэффициент макромасштабного турбулентного переноса 
(турбулентной диффузии), м2/с;
g — ускорение свободного падения, м/с2;
d
G  — отношение диаметра аппарата к диаметру мешалки;
fоп — площадь проекции перегородки на меридиональную плоскость, м2;
hоп — высота погружения отражательных перегородок в среду, м;
1
K  — коэффициент, связывающий мощность с характеристиками 
окружного течения жидкости в аппарате;
N — мощность, затрачиваемая на перемешивание, Вт;
n — частота вращения мешалки;
H — высота заполнения аппарата, м;
3

кр
М  — крутящий момент;
корп
М
, 
ст
М , 
дн
М , 
вн
М  — момент сопротивления соответственно корпуса, на стенках, днище и на внутренних устройствах аппарата;
Pe — критерий Пекле;
rоп — радиус расположения перегородок, м;
R0, R20, R50 — предел прочности при сжатии, МПа;
ReЦ — критерий Рейнольдса центробежный;
V — объем перемешиваемой среды, м3;
Vср — средняя окружная скорость, м/с;
X1 — содержание ДСТ 30-01 в ПБВ, % масс.;
X2 — содержание ПВД в ПБВ, % масс.;
Y1 — температура размягчения, °С;
Y2 — эластичность, %;
Y3 — пенетрация при 25°С, 0,1 мм;
Y4 — дуктильность при 25°С, мм;
zм — число мешалок на валу;
zоп — количество внутренних перегородок;
 — параметр высоты заполнения аппарата;
м — коэффициент сопротивления мешалки;
оп — коэффициент сопротивления отражательной перегородки;
 — коэффициент сопротивления корпуса аппарата;
, с, д — динамическая вязкость соответственно смеси, дисперсной и сплошной фаз, Па · с;
, д, c — плотность соответственно смеси, дисперсной 
и сплошной фаз, кг/м3;
 — межфазное натяжение, Н/м;
 — концентрация дисперсной фазы, об.%;
ос — скорость осаждения (всплывания) частиц или капель, м/с.
4

Введение
Развитие современного общества происходит в условиях постоянного увеличения грузовых автомобильных перевозок, растущих 
нагрузок на ось транспортных средств, интенсивности движения. 
Перевозки осуществляются в неблагоприятных климатических 
условиях, что приводит к преждевременному износу дорожных 
покрытий, уменьшению межремонтных циклов и увеличению затрат на строительство и эксплуатацию дорог. Исследования показывают, что при безусловном соблюдении технологии укладки дорожных покрытий их низкая долговечность определяется недостаточными качественными показателями используемого нефтяного 
битума. Поэтому тенденцией развития дорожной отрасли является 
переход на использование полимерно-битумных вяжущих (ПБВ), 
обладающих более высокими качественными характеристиками. 
ПБВ получают путем модифицирования битумов в процессах их 
перемешивания с полимерными материалами. Наиболее часто 
для модификации битумов используют термоэластопласты типа 
стирол-бутадиен-стирол, которые характеризуются сравнительно 
высокой стоимостью. А применяемые технологии и оборудование 
для производства на их основе полимерно-битумных вяжущих 
характеризуются значительной энергоемкостью, высокой стоимостью и низкой надежностью, обусловленной необходимостью использования коллоидных мельниц. С другой стороны, существует 
проблема утилизации крупнотоннажных отходов полимерной упаковки, которые гипотетически могут быть использованы для модификации битумов. Однако многочисленные попытки применения 
для модификации битумов, например, полиолефинов, широко используемых для производства упаковки, не выявили возможности 
получения конкурентных преимуществ получаемых на их основе 
ПБВ. Поэтому необходимы дальнейшие исследования в данном 
направлении.
Традиционно целью исследований в области строительного материаловедения является поиск новых рецептур материалов, обеспечивающих достижение заданных показателей качества, а также 
технологий использования полученных новых материалов для решения конкретных задач строительной индустрии.
Для получения ПБВ используют процессы совмещения модификаторов с нефтяными битумами путем перемешивания компонентов, которые являются областью научных интересов специалистов по процессам и аппаратам химической технологии.
Поэтому решение поставленной проблемы утилизации полимерных отходов с получением полимерно-битумных вяжущих 
5

(ПБВ) для дорожного строительства рассматривалось на стыке научных областей строительного материаловедения, технологий переработки полимеров и композитов, а также процессов и аппаратов 
химической технологии.
Целью работы являлась разработка состава комплексного модификатора с использованием отходов упаковки из полиэтилена высокого давления (низкой плотности) и аппаратурного оформления 
энергосберегающего процесса получения полимерно-битумного 
вяжущего.
6

Глава 1. 
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ 
ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНЫХ 
ВЯЖУЩИХ ДЛЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Повышение качества дорожных покрытий является одной 
из важнейших проблем отечественной инфраструктуры [1]. Ухудшающееся состояние дорог является одной из наиболее важных 
проблем в России и во всем мире. Причина этого заключается 
в основном в увеличении объема дорожного трафика и максимально допустимой нагрузки на ось транспортного средства, 
а также в неблагоприятных климатических условиях. Наслаивание 
перечисленных факторов приводит к быстрой деградации поверхности (пластическая деформация, термическое и усталостное 
растрескивание) дорожного покрытия. Все чаще в процессе производства асфальтобетонных смесей с целью улучшения их функциональных свойств используются модифицированные вяжущие 
вещества. Поверхностные асфальтобетонные смеси представляют 
собой вязкоупругие материалы, характеристики которых в значительной степени зависят от свойств вяжущего компонента этих 
смесей. Применяемые в дорожном строительстве нефтяные битумы характеризуются узким диапазоном вязкоупругости, который 
проявляется в их быстром переходе в пластичное состояние при 
положительных температурах окружающей среды и в появлении 
хрупкости при отрицательных температурах [1–8]. Для улучшения 
вязкоупругих свойств нефтяных битумов применяют процессы модификации. Подбор соответствующих модификаторов с целью достижения рекомендуемых технических характеристик и долговечности асфальтобетонных смесей в дорожных покрытиях является 
актуальной задачей.
1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА НЕФТЯНЫХ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ
Наибольшее распространение в дорожном строительстве находят нефтяные битумы. Нефтяные битумы — остаточные продукты переработки нефти, имеющие твердую или вязкую консистенцию и состоящие из углеводородов и гетероатомных соединений [9].
Дорожные битумы разделяют на вязкие и жидкие. Вязкие 
битумы используют в качестве вяжущего материала при строительстве и ремонте дорожных покрытий. Основное количество 
7

таких битумов вырабатывается в России в соответствии с ГОСТ 
22245–90, требования которого приведены в таблице 1.1 [4].
Таблица 1.1
Нормы показателей для битумов в соответствии с ГОСТ 22245–90 [4]
Норма для битума марки
Наименование показателя
БНД 
200/300
БНД 
130/200
БНД 
90/130
БНД 
60/90
БНД 
40/60
Глубина проникания иглы, 0,1 мм:
при 25°С
201–300
131–200
91–130
61–90
40–60
при 0°С, не менее
45
35
28
20
13
35
40
43
47
51
Температура размягчения по кольцу 
и шару, °С, не ниже
Растяжимость, см, не менее
при 25°С
—
70
65
55
45
при 0°С
20
6,0
4,0
3,5
—
Температура хрупкости, °С, не выше
–20
–18
–17
–15
–12
Температура 
вспышки, °С, не ниже
220
220
230
230
230
7
6
5
5
5
Изменение температуры размягчения 
после прогрева, °С, 
не более
Индекс пенетрации
От –1,0 до +1,0
Согласно [4] все битумы маркируются по глубине проникания 
иглы (пенетрация) при 25°С. При равной пенетрации при 25°С битумы БНД имеют более высокую температуру размягчения, более 
низкую температуру хрупкости и большие значения пенетрации 
при 0°С, чем битумы марки БН. В то же время для битумов БНД 
устанавливаются требования по дуктильности при 0°С, а требования по дуктильности при 25°С менее строгие в сравнении с битумами марки БН. Требования к термостабильности битумов БНД 
более жесткие.
Рекомендации по применению зависят от типа битумов и их 
пенетрации при 25°С. Согласно [4] в первой дорожно-климатической зоне при среднемесячной температуре наиболее холодного 
времени года не выше –20°С рекомендуется использовать битумы 
БНД 200/300, БНД 130/200, БНД 90/130; во второй и третьей 
зонах при температуре в пределах от –10 до –20°С — битумы БНД 
8

200/300, БНД130/200, БНД90/130, БНД 60/90; во второй, третьей 
и четвертой зонах при температуре от –5 до –10°С — битумы БН 
200/300, БН 130/200, БН 90/130, БНД 130/200, БНД 90/130, БНД 
60/90, БНД 40/60; в четвертой и пятой климатических зонах при 
температуре не ниже +5°С — битумы БН 90/130, БН 60/90, БНД 
90/130, БНД 60/90, БНД 40/60.
В настоящее время в РФ внедряются новые стандарты, в которых для классификации вяжущих используются значения 
верхнего и нижнего температурного предела эксплуатации в летний 
и зимний период [5].
Различают битумы: природные и искусственные, получаемые 
главным образом из остатков перегонки нефти, крекинга и очистки 
масел (так называемые нефтяные). На производство битумов в мире 
идет около 2–3% от общего объема перерабатываемой нефти [1].
Наиболее ценятся адгезионные свойства битума, которые необходимы для того, чтобы при изготовлении битумных материалов, 
главным образом асфальта, битум хорошо прилипал к наполнителю (щебню). Высокая адгезия битума — результат оптимального 
сочетания двух свойств: смачивания битумом материалов, с которыми он взаимодействует, и высокой вязкости [10].
Битум представляет собой сложную смесь углеводородов и неуглеводородных соединений разнообразного строения. В состав 
битумов входят как алифатические соединения, так и высокоароматические конденсированные вещества с гетероциклическими 
фрагментами [8–10]. Нефтяные битумы представляют собой дисперсные коллоидные системы сложного состава. В их состав входит 
примерно 80–87% углерода, 10–12% водорода, 5–10% кислорода, 
2–5% серы и до 3% азота [12]. Однако элементарный состав битумов не дает представления о химических соединениях, содержащихся в битумах. Для исследования свойств битумов их разделяют на отдельные группы углеводородов, близких по свойствам. 
Из битума чаще всего выделяют следующие группы углеводородов: 
масла, смолы и асфальтены [1].
Масла — группа жидких углеводородов светло-желтой окраски 
плотностью менее 1·103 кг/м3. Повышенное содержание масел в битумах придает им подвижность, текучесть.
Смолы — вязко-пластичные вещества темно-коричневого цвета 
плотностью около 1·103 кг/м3. Смолы имеют более сложный состав 
углеводородов, чем масла, и придают битумам тягучесть и эластичность.
Афтальтены — твердые неплавкие вещества черного или темно 
коричневого цвета плотностью немного больше 1·103 кг/м3. Они 
представляют собой концентрат наиболее высокомолекулярных 
соединений нефти, как правило, гетероатомных. Асфальтены яв9

ляются основным структурообразующим компонентом, хотя в научной литературе до сих пор подвергается сомнению их полярность 
[17]. Оценить молекулярную массу молекул асфальтенов трудно, 
так как они самоассоциируются. Имеются данные, что их молекулярный вес колеблется в диапазоне 500–2000 г/моль [14, 18–20], 
а средняя молекулярная масса около 750 а.е.м. [20, 21]. Асфальтены 
также подразделяют на фракции в зависимости от растворимости 
в двойных растворителях [20]. Фракция А1 считается тяжелой, 
нерастворимой и полярной. Она представляет собой плотный, блестящий, черный порошок [20, 22]. Фракция А2 считается легкой, 
растворимой и неполярной. Она представляет собой матовые коричневые частицы [20, 22].
Асфальтены — основные структурирующие компоненты нефтяных дисперсных систем. В настоящее время считается установленным фактом, что асфальтеновая молекула представляет собой 
поликонденсированную систему, состоящую в среднем из 6–10 ароматических и 2–3 нафтеновых колец, обрамленную цепочечными 
углеводородными структурами длиной 0,55–0,65 нм и содержащую 
гетероатомы (S, N, O) и металлы (V, Ni, Fe, Ca и др.) [21, 23].
Благодаря своим структуре и составу асфальтеновые молекулы 
склонны к взаимодействию за счет множественных межмолекулярных сил — водородных связей, кислотно-основных, донорноакцепторных, диполь-дипольных, π-комплексных, обменных 
и других с образованием агрегатов различных уровней и различной степени упорядоченности. Поэтому в зависимости от концентрации в нефтяной системе асфальтены могут находиться 
в молекулярном состоянии, в виде наноагрегатов, кластеров или 
флоккул [23].
В работе [14] показано, что молекулы асфальтенов образуют 
ассоциаты в виде пачек параллельно расположенных плоских молекул, а сольватная оболочка из масел и смол не дает слипаться частицам асфальтенов. В работе [23] получены прямые экспериментальные свидетельства, подтверждающие образование в асфальтеновых пленках плоских, а не многослойных структур.
Таким образом, несмотря на многочисленные исследования, состав и структура асфальтенов не изучены до конца [20].
Масла, смолы, асфальтены и другие группы углеводородов 
входят в состав битумов в различных соотношениях и тем самым 
определяют их структуру и свойства. По физико-химическому 
строению битумы являются коллоидными растворами асфальтенов 
(с адсорбированной на их поверхности частью смол) в масляносмоляной среде [1, 9]. Повышенное содержание асфальтенов в битуме обусловливает его повышенную вязкость и температурную 
устойчивость.
10