Рециклинг кровельного битума: технические решения, оборудование, расчеты

Рулонный водоизоляционный ковер на совмещенных крышах является наиболее распространенным конструктивным кровельным элементом в массовом строительстве различных зданий и сооружений. В СССР, начиная с 1960 года, на зданиях и сооружениях возводились типовые плоские крыши с битумными кровлями из рубероида, объем которых составляет 75–80 % от общего объема всех возведенных крыш.

Эксплуатационные качества таких водоизоляционных ковров в значительной степени зависят от наличия технологической влаги в теплоизоляции крыши, которая может увлажняться атмосферными осадками в построечных и эксплуатационных условиях. Избыточная влага в конструкции совмещенной крыши выводит из строя водоизоляционный ковер в результате появления на его поверхности вздутий, разрывов и трещин. Протечки через разрывы в кровле приводят к переувлажнению теплоизоляции и к снижению его теплозащитных функций.

Для предотвращения появления на рулонной кровле совмещенных крыш таких дефектов и осушения теплоизоляции предусматривается устройство дышащих кровель с использованием в их нижнем слое перфорированных рулонных материалов.

При ремонте рулонных кровель требуется не только осушить теплоизоляцию на крыше, но и решить задачу вторичного применения кровельных битумных отходов.

В последнее время в Беларуси с нарастанием ведутся работы по реконструкции и ремонту рулонных кровель на различных зданиях и сооружениях, производится массовая тепловая модернизация жилых домов с доутеплением их стен и крыш. При этом образуются десятки тысяч тонн битумосодержащих отходов. Если говорить только о крышах, то это десятки миллионов квадратных метров рубероидных битумных кровель, которые необходимо заменить новыми. Кроме этого на заводах, выпускающих рулонные кровельные материалы, также ежегодно образуются большие объемы технологических отходов с содержанием в них кровельного битума. Аналогичные кровельные отходы накапливаются при ремонте и восстановлении битумной изоляции на протяженных трубопроводах, транспортирующих нефть и газ. А это огромные объемы битумных отходов, которые вполне могут быть переработаны и вторично с большим эффектом использованы в тех же модернизируемых крышах, включая и новое строительство.

В целом при проектировании зданий должен быть заложен рациональный и коммерческий подход на перспективу, заключающийся в комплексном использовании строительных отходов, которые будут обязательно образовываться при реконструкции или сносе обветшавших конструкций или целых сооружений. При этом строительные отходы следует утилизировать полностью, а соответствующую технологию разрабатывать с учетом возможностей переработки отходов до продукции, которую можно применить вторично в строительстве. Старый испытанный метод проектирования зданий, при котором не прогнозируется физический износ сооружений или отдельных строительных конструкций при их сносе с образованием отходов должен уступить место более прогрессивному и экономичному.

Традиционно при ремонте кровли восстанавливались посредством наклейки на них дополнительных слоев рубероида на битуме. В настоящее время такие крыши представляют собой своеобразные кладовые с большим содержанием дефицитного битума: в 1 м² кровли содержится от 20 до 70 кг битума. В многослойных старых кровлях приклеивающие битумные мастики и битумы, находясь в межслойных кровельных промежутках из рулонных материалов, не испытывали прямых разрушительных воздействий солнечной радиации и ультрафиолетового излучения, не подвергались химическим изменениям своих мицелл и деструкции битумного материала в целом. Поэтому первоначальные физико-механические свойства битумов в кровельных отходах из рулонных материалов, пригодны для вторичного их использования. Такие кровли, как правило, разбирают вручную, при этом использовался тяжелый ручной труд по разборке слоев кровли, а кровельные отходы с содержанием вполне качественного битума поточно вывозились на свалки. Эти битумные отходы в массовом производстве не утилизируются и дополнительно с другими отходами негативно отражаются на экологии с уничтожением природных ресурсов.

Вопрос о переработке и вторичном применении в производстве кровельных битумных отходов возник у специалистов Брестского государственного технического университета еще в 1985 году при масштабной реконструкции огромных площадей плоских крыш на промышленных зданиях в Беларуси (А. с. СССР №№ 1368291, 1987 год; 1470710, 1988 год; 1484367, 1989 год; 1551420, 1989 год).

Необходимо отметить, что переработка вязких битумных, в частности, кровельных отходов представляет собой сложную технологическую задачу. Традиционный ручной способ разборки старых рулонных кровельных ковров на основе армирующих картона и стеклоткани с помощью топоров и лопат является непроизводительным и утомительным для кровельщиков. Для повышения культуры производства, производительности и облегчения труда кровельщиков в БрГТУ было разработано и изготовлено пять универсальных моделей машин МРК 1–5 (А. с. СССР 1749420, 1749421, 1813861, Пат. BY 7815, 9778) для резки кровельных ковров и разборки неармированных цементных и асфальтовых покрытий.

В заводском исполнении было изготовлено более 100 машин модели МРК 1–5 с реализацией их в Беларуси, России, Украине и других странах.

Машинный способ разборки рулонных кровельных ковров позволяет повысить культуру производства и производительность кровельщиков более чем в 8 раз. При этом резко снижается физическая нагрузка оператора, поскольку осуществляется самоперемещение машин в работе с аккуратной нарезкой кровельных отходов в виде мелких пластин.

Куски и пластины кровельных отходов с покрытия на землю транспортируются по рукавному трубопроводу (А. с. СССР 1742169). Рукав состоит из системы легких металлических или пластмассовых сборных труб, объединенных между собой гибкими связями. Несложный и быстрый монтаж и демонтаж такого рукавного трубопровода позволяет осуществлять вертикальную транспортировку сыпучих материалов с высотной отметки более 30 м. При этом резко повышается производительность транспортировки, сокращаются энергозатраты и не наносится ущерб экологии.

Считалось, что вязкие битумные материалы вообще не поддаются мельничному измельчению на известных агрегатах. Специалисты БрГТУ разработали гидроизмельчитель и провели опытные производственные проверки в 1985 году на Осиповичском картонно-рубероидном заводе (Беларусь).

Все испытания прошли успешно. Приоритет этого технического решения БрГТУ защищен авторскими свидетельствами (А. с. СССР №№ 1368291, 1470710, 1484367, 1551420, 1669551).

Однако битуминозная гидромасса не обладает технологичностью, требует энергемкого оборудования по удалению воды из смеси, обладает сезонностью и ограниченной областью применения. Между тем принцип измельчения тяжелых вязких битумных кусков в гравитационной водной среде послужил подсказкой и идеей измельчать отходы во взвешенном сухом состоянии. Поэтому был создан высокоскоростной мельничный агрегат с постоянно изменяющимся внутренним рециклом в размольной емкости, позволяющим в гравитационной среде измельчать битумные отходы и битумы твердых марок в порошок (патенты Республики Беларусь №№ 2010, 1997 год; 5452, 2003 год; 6872, 2004 год).

При создании машин ориентировались на малогабаритные и мобильные варианты их применения непосредственно в черте города. Они могут использоваться на строительных площадках или в передвижных мобильных пунктах по переработке битумных отходов.

В рабочем состоянии машины не выделяют вредные выбросы в атмосферу и удовлетворяют всем требованиям экологической безопасности.

Порошок после измельчения кровельных битумных отходов (далее – КБО) на машинах выходит неоднородной фракции. В производстве как вяжущий материал применяют порошок фракции до 5 мм. Поэтому после измельчения для получения битумного порошка нужной фракции он просевается через систему сит на виброгрохоте (патент Республики Беларусь № 9992, 2007 год).

На основе исследований, математического моделирования и анализа конструктивных и эксплуатационных характеристик разработанных машин были созданы 4 модели измельчителей ИСБ 1–4 и 2‑х виброгрохотов.

После классификации на виброгрохоте порошок фракции до 5 мм размещают в герметичных мешках и отправляют на склад, а оставшуюся на ситах крупную фракцию порошка из КБО снова загружают в машину на доизмельчение. Причем крупная фракция (крупнее 10 мм) порошка, содержащего картонную основу рубероида, может быть использована как добавка для обогащения и повышения теплотворной способности местного древесного топлива в котельных. Таким образом, осуществляется 100 % переработка КБО.

Известна проблема, связанная с частыми ремонтами рулонных кровель на зданиях различного назначения, когда невозможно на время ремонта отселить из квартир жильцов или остановить производство в действующих цехах. Неожиданные погодные изменения с дождем во время выполнения ремонтных работ на крышах могут застать кровельщиков врасплох. Через вскрытые от кровли участки крыши вода может проникнуть в помещения квартир и на технологическое оборудование в цехах. Поэтому традиционно, чтобы не рисковать, обходятся затратными и неэффективными локальными ремонтами кровель с коротким сроком их эксплуатации. Традиционно все ремонтные кровельные работы выполняют в теплое время года. А это сравнительно непродолжительный рабочий промежуток времени, особенно в суровых климатических районах строительства с коротким летним периодом. Усложняется и сам технологический процесс ремонта крыш в уже сложившейся застройке, например на многопролетных промышленных зданиях со сложными перепадами профилей кровель. При этом возникают неудобные и протяженные пути доставки кровельных материалов по самой кровле на рабочие захватки.

Применение битумных порошков в ремонтных кровельных работах позволяет принципиально изменить существующую традиционную технологию реконструкции совмещенной крыши на новую. Принцип рассматриваемой технологии, в частности, заключается в следующем. Определяют размер захватки таким образом, чтобы обязательно был выполнен водоизоляционный слой на восстанавливаемой крыше в течение смены или перед дождем, с целью предотвращения проникновения атмосферной воды в помещения. Старые слои кровельного ковра разбирают машиной МРК, а стяжку очищают от пыли и мусора. Как правило, материалы в конструктивных слоях крыши под вскрытой кровлей содержат избыточную влагу. Для осушения этих материалов в процессе эксплуатации восстановленной крыши должна быть предусмотрена дренирующая осушающая система, обеспечивающая выравнивание подкровельного паровоздушного давления и отвод водяных паров в атмосферу. Отвод должен осуществляться через специально предусматриваемые продухи в узлах примыкания кромок восстановленного нового рулонного ковра. На подготовленную стяжку насухо укладывают и расправляют стеклянную сетку, которая является разделительным слоем между стяжкой и первым слоем нового водоизоляционного кровельного ковра. Этот разделительный слой обеспечивает условие приклейки расплавленного битума к стяжке в отдельных точках через ячейки стеклянной сетки, создавая диффузию водяных паров через неприклеенные подкровельные участки, и независимость их температурных деформаций. На стеклянную сетку рассыпают ровным слоем толщиной 6–8 мм смесь из измельченных КБО в порошок фракции до 5 мм и цемента. Эту битуминозную смесь нагревают газовой горелкой до полного расплавления битума до жидкотекучего состояния и образования из него сплошного водоизоляционного слоя. Наличие в порошке из КБО цемента обеспечивает за счет его гидратного твердения частичное обезвоживание материалов в существующей стяжке восстанавливаемой крыши и позволяет получить более прочное асфальтовое основание под обновляемую кровлю. Такое асфальтовое основание через 1,5–2 часа остывает, набирает прочность и по нему можно повторно рассыпать битумно-цементную порошковую смесь с разогревом газовой горелкой. Таким образом, за один технологический прием устраняются все неровности на поверхности стяжки и формируются ровные плоскости с уклоном к водоприемным воронкам. Так последовательно на захватках крыши разбирают старые слои рубероидного ковра с одновременным устройством изоляции на вскрытой от кровли стяжке из водонепроницаемого мастичного слоя на основе битуминозной порошковой смеси. Причем такие кровельные работы можно выполнять и зимой в сухую погоду. Водонепроницаемый мастичный слой из битуминозного порошка может использоваться как временная гидроизоляция ремонтируемой крыши при возникновении длительных технологических перерывов в кровельных работах или затяжных атмосферных осадках. Последующие работы на ремонтируемой крыше по устройству новых гидроизоляционных слоев из товарных рулонных материалов можно выполнять в спокойном технологическом ритме в благоприятных летних условиях. При необходимости на восстанавливаемых совмещенных крышах может быть выполнен дополнительный теплоизоляционный слой из легкого асфальта. Составляющими таких асфальтов являются сухие смеси из вяжущего порошка из КБО и минеральных легких и негорючих наполнителей (керамзит, перлит, шлак, зола). Как правило, такие недорогие наполнители являются местными строительными материалами. Дозированные сыпучие асфальтовые смеси размещают в транспортабельных мешках и оперативно доставляют на строительные площадки. Асфальтовые смеси рассыпают ровным слоем на поверхности восстанавливаемой совмещенной крыши и по аналогичной технологии нагревают газовой горелкой до полного расплавления битума и образования ровной поверхности из утепляющего асфальта. В соответствии с теплотехническим расчетом дополнительная теплоизоляция на восстанавливаемой крыше может формироваться из нескольких таких слоев легкого асфальта. Лицевая сформированная поверхность асфальта обладает высокими водоизоляционными свойствами, по которой затем в спокойном технологическом ритме качественно наклеивают новые слои из товарных кровельных рулонных материалов. При ремонте совмещенных крыш вторично в их конструкциях может использоваться 12–15 % вяжущего порошка из КБО. Остальная часть переработанных в вяжущий порошок КБО может быть эффективно использована при изготовлении асфальтобетонов из местных минеральных наполнителей: песок, гравий, шлак. Минеральные и волокнистые наполнители в составе вяжущих порошков из КБО выполняют роль структурирующих добавок, содержание которых в этих отходах колеблется от 15 до 20 %. Наполнители сложным образом взаимодействуют с битумом, содержащимся в рубероидных отходах, выполняя роль структурообразующего компонента. Минеральные наполнители в порошке из КБО и асфальтовых смесях переводят битумное вяжущее в пленочное состояние благодаря высокоразвитой поверхности и образуют структурированную дисперсную систему, обладающую повышенной прочностью, вязкостью и водоустойчивостью. Кроме того, для вяжущего порошка из КБО характерны сравнительно высокие показатели теплостойкости, механической прочности и деформативной способности, особенно при отрицательных температурах. Выполненные лабораторные и производственные исследования подтверждают хорошие физико-механические показатели мастик и асфальтов на основе вяжущего порошка из КБО, которые соответствуют требованиям действующих стандартов. На основе вяжущего порошка из КБО непосредственно на строительном объекте (включая отдаленные без энергоснабжения) на мобильном агрегате РДЖ‑2,8 изготавливают асфальтобетонные смеси для дорожных ремонтных работ, противофильтрационных экранов на полигонах ТБО и захоронения токсичных твердых отходов в качестве матрицы.

Более полная информация о ремонте и утеплении совмещенных крыш представлена в ТУ BY 200002511–001–2010 и Рекомендациях (Р5.08.059.09) с нормативным изложением регламента по проектированию и ремонту рулонных кровель, которые разработаны Брестским государственным техническим университетом и зарегистрированы в РУП «Стройтехнорм» (Беларусь). В Рекомендациях Р5.08.059.09 отражены новые запатентованные конструктивные решения и технологические приемы по тепловой модернизации совмещенных крыш на зданиях различных типов. При этом в качестве исходного сырья используются вяжущие порошки из КБО, позволяющие на их основе изготавливать новые теплоизоляционные и кровельные материалы и с большим экономическим эффектом вторично их применять в конструкциях восстанавливаемых крыш с хорошим качеством строительства.

Строительные битумные отходы, переработанные в порошок для вторичного использования в производстве, сохраняют все свои первоначальные свойства по безопасности в применении и эксплуатации.

Учитывая, что при восстановлении плоских крыш снова применяют рулонные кровельные материалы с покровным слоем из битума, то рассматриваемые технологии и оборудование рассчитаны и на перспективу. При этом решаются вопросы ресурсосбережения и экологии.

Кроме того, решаются и важные социальные вопросы: создается повсеместно большое количество дополнительных рабочих мест и обеспечивается занятость населения. Без отселения жильцов из домов и остановки производства в промышленных цехах, осуществляется модернизация кровельных конструкций с дополнительным утеплением крыши и с улучшением комфортности проживания людей, предотвращается сбой в работе и порча технологического оборудования в производственных корпусах.

Данная инновационная работа в 2006–2011 годах экспонировалась на международных выставках-конкурсах инновационных проектов в Москве и Санкт-Петербурге и получила 2 золотые и 2 серебряные медали.

 

Дмитрий УСТИНОВ, инженер кафедры «Автоматизации технологических процессов и производств» Брестского государственного технологического университета