CC BY
61
УДК 674.8:625.85
Г. М. Файзрахманова, С. А. Забелкин, А. Н. Грачев,
В. Н. Башкиров
МОДИФИКАЦИЯ ДОРОЖНОГО БИТУМА ОТСТОЙНОЙ ДРЕВЕСНОЙ СМОЛОЙ
Ключевые слова: отстойная древесная смола, водонерастворимая фракция пиролизной жидкости, битум, вяжущее, водостойкость, водонасыщение, прочность, асфальтобетон.
Водостойкость является одним из основных свойств, характеризующих качества асфальтобетона. В работе исследуется влияние добавки в вяжущее отстойной древесной смолы - водонерастворимой фракции пиролизной жидкости, на водонасыщение и водостойкость асфальтобетона.
Key words: water-insoluble fraction ofpyrolysis liquid, bitumen, astringent, water resistance, water saturation, strength, asphalt-
concrete.
Water resistance is one of the most important properties characterizing asphalt-concrete quality. In the work influence of addiction of settling wood tar - water-insoluble fraction ofpyrolysis liquid in an astringent on water resistance and water saturation of asphalt-concrete has been researched.
Наиболее широкой сферой применения битума и его композиций является дорожное строительство [1]. Все дорожные асфальтобетонные покрытия включают два основных компонента: битум и каменный материал.
Стремление расширить ассортимент органических вяжущих и улучшить свойства вяжущего в различных направлениях стимулирует исследования по созданию композиционных материалов на базе побочных продуктов химической и других отраслей промышленности. В последнее время также уделяют большое внимание использованию возобновляемых ресурсов и материалов, в том числе и в дорожном строительстве [2].
В качестве добавки в органическое вяжущее в дорожном строительстве могут применяться жидкие продукты термического разложения лигноцеллюлозной биомассы [3]. Применению продуктов термического разложения древесины в дорожных вяжущих и укреплению грунтов посвящено ряд работ учёных СПбГЛТУ и КГАСА [4, 5]. Министерством транспортного строительства, Государственным всесоюзным дорожным научно-исследовательским институтом (СОЮЗДОРНИИ) разработаны методические рекомендации, которые допускают добавление пиролизных смол в качестве компонентов дорожных вяжущих, снижающих себестоимость [6]. Особенно данный подход актуален при вовлечении отходов лесного комплекса и использовании местных возобновляемых материалов в дорожном строительстве.
Наибольший выход жидких продуктов (до 60% масс. [7-9]) осуществляется при быстром пиролизе - термическом разложении биополимеров в отсутствии окислительной среды при высокой (до 1000°С/с) скорости нагрева и малом времени пребывания продуктов в реакционном пространстве [10-12].
Исследовательские работы по применению жидких продуктов быстрого пиролиза, а также их фракций в дорожном строительстве проводятся рядом зарубежных исследователей в университете
Айовы, США, а также специалистами компании БТв, Нидерланды [13-15]. Результаты исследований показали весьма многообещающую перспективу их использования в дорожном строительстве. Жидкие продукты быстрого пиролиза включают в себя множество соединений с различными свойствами, образующиеся в результате термического разложения основных биополимеров целлюлозы и лигнина. В частности они включают в себя как водорастворимые (низшие карбоновые кислоты, кетоны, альдегиды, гидроксиацетатальдегады, ангидросахара, сахара), так и водонерастворимые компоненты (смолы, полимеры, олигомеры лигнина, ароматические углеводороды и др.). Для применения в дорожных вяжущих больший интерес представляют соединения и полимеры, которые не подвержены вымыванию и растворению в воде [16, 17, 27].
В связи с этим, с целью оценки возможности применения водорастворимой фракции жидких продуктов быстрого абляционного [28] пиролиза древесины (отстойная древесная смола) были проведены исследования адгезионных свойств битумной композиции [25], которые показали, что добавление отстойной древесной смолы позволяет увеличить адгезионную прочность битумной композиции к мраморным плитам в 1,94 раза. Наилучшие результаты достигаются при добавке водонерастворимой фракции пиролизной жидкости в количестве от 10 до 50%.
Однако одними из важнейших свойств асфальтобетона являются водонасыщение и водостойкость [1]. В связи с этим, в данной работе была поставлена цель определить влияние добавки отстойной древесной смолы на водонасыщение и водостойкость модифицированного битума.
Для исследования свойств асфальтобетона, полученного с использованием отстойной древесной смолы, были подготовлены образцы, состоящие из минерального материала и вяжущего. В качестве минерального материала использовались песчано-гравийная смесь и щебень с добавкой минерального порошка. В качестве вяжущего применялась смесь битума и отстойной древесной смолы в различных соотношениях. Массовые соотношения
компонентов асфальтобетона представлены в таблице 1. Изготавливались образцы согласно пункту 6 ГОСТ 12801-98 [18].
Таблица 1 - Массовые компонентов асфальтобетона
соотношения
Компонент Массовое содержание, %
Щебень марки 20 41,3
Щебень марки 10 20,3
Песок 28,6
Минеральный порошок 5,7
Вяжущее 4,1
Отстойная древесная смола была получена на установке быстрого абляционного пиролиза УБП-50 из измельчённой сухой древесины берёзы при температуре 500±20°С [19, 20]. Влажность древесины составляла 8±0,5%. Размер частиц исходного сырья соответствовал
гранулометрическому распределению,
представленному в работе [26] с максимумом от 0,5 до 2 мм.
Перед добавлением в битум осуществлялась сепарация жидких продуктов пиролиза путём водной экстракции и отстаиванием водонерастворимой части. Отстойная древесная смола смешивалась с битумом марки БНД 60/90 при температуре 80-90°С в течении 30 минут в количестве от 0 до 100%. Свойства отстойной древесной смолы и битума представлены в таблице 2. Минеральный материал (песчано-гравийная смесь) нагревался до температуры 160-170°С, а вяжущее - до 140-150°С. После этого компоненты смешивались при температуре 145-155°С, температура форм составляла 100°С, уплотнение проводилось прессованием на гидравлическом прессе при давлении 40 МПа [21].
Таблица 2 - Физико-механические характеристики битума и отстойной древесной смолы
Свойства Битум 60/90 Отстойная древесная смола
Глубина проникания иглы при 25°С 62 мм 123 мм
Температура размягчения по кольцу и шару 47°С 32°С
Изменение температуры размягчения после прогрева 4°С 7°С
Температура вспышки 230°С 205°С
водопоглощение образцов. Размеры и количество образцов принимались по ГОСТ 12730.3-78 [22]. Поверхность образцов очищалась от пыли, грязи и следов смазки с помощью проволочной щётки. Испытание образцов проводилось в состоянии естественной влажности.
Образцы помещались в ёмкость, наполненную водой с таким расчётом, чтобы уровень воды в ёмкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 50 мм. Температура воды в ёмкости поддерживалась на уровне (20±2)°С. Образцы взвешивались через каждые 24 ч на обычных весах с погрешностью не более 0,1%. При взвешивании образцы, вынутые из воды, предварительно вытирались отжатой влажной тканью. Масса воды, вытекшей из пор образца на чашку весов, включалась в массу насыщенного образца. Испытание проводилось до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний отличались не более чем на 0,1%.
Влажность асфальтобетона определяли испытанием материала, полученного дроблением образцов после их испытания на водопоглощение. Наибольшая крупность раздробленных кусков бетона была не более 5 мм. Из раздробленного материала путём квартования отбирались усреднённые пробы массой не менее:100 г. Подготовленные образцы взвешивались, ставились в сушильный шкаф и высушивались до постоянной массы при температуре (105±5)°С. Постоянной считалась масса образца, при которой результаты двух последовательных взвешиваний отличались не более чем на 0,1%. При этом продолжительность между взвешиваниями составляла не менее 4 ч. Перед повторным взвешиванием образцы охлаждались в эксикаторе с безводным хлористым кальцием. Взвешивание производилось с погрешностью до 0,01 г [23].
Водопоглощение асфальтобетона
отдельного образца по массе Wм в процентах определялось с погрешностью до 0,1% по формуле 1
, (1)
где Шс - масса высушенного образца, г; тв - масса водонасыщенного образца, г.
Для исследования свойств асфальтной смеси при взаимодействии с водой было определено
Рис. 1 - Зависимость водопоглощения асфальтобетона от содержания отстойной древесной смолы в составе композиций битумного вяжущего
На данной зависимости видно, что при увеличении доли отстойной древесной смолы в битуме до 50% происходит небольшое снижение водопоглощения асфальтобетона. По-видимому, это объясняется тем, что пиролизная жидкость исполняет роль поверхностно-активного вещества, которое улучшает обволакивание минеральных частиц вяжущим материалом - битумом. В результате количество дефектов контакта вяжущего и минеральных частиц уменьшается, что и приводит к уменьшению водонасыщения. При этом чистая отстойная древесная смола имеет гораздо худшие гидрофобные свойства, чем чистый битум.
Водостойкость асфальтобетона
характеризуется коэффициентом водостойкости, определяемым как отношение предела прочности при сжатии водонасыщенных образцов к пределу прочности при сжатии сухих образцов [24].
Испытания образцов проводились на универсальной испытательной машине ИР 5082-50 со скоростью движения плит 20 мм/мин при температуре 22°С. Была определена прочность сухих и водонасыщенных образцов асфальтобетона. Для получения водонасыщенных образцов они помещались в воду (20-22°С) на 15 суток и после этого разрушались.
Результаты исследования прочности сухих и водонасыщенных образцов асфальтобетона представлены на рис. 2.
23 2.1
1 1
сухие
1 Г s
J U ►
< ►х- <г •< ► ы
водонасыщенные
р" 1.9 | 1.7
В 1.5
§и 1*1.1
0 5 10 20 30 +0 50 Содержание отстойной древесной смолы. 9 о
Рис. 2 - Зависимость предела прочности образцов асфальтобетона от содержания отстойной древесной смолы в составе композиций битумного вяжущего для сухих и водонасыщенных образцов
Из данной зависимости видно, что прочность как сухих, так и водонасыщенных образцов относительной контрольных при увеличении доли отстойной древесной смолы до 1520% растёт, а затем уменьшается.
На основе полученных экспериментальных данных был рассчитан коэффициент водостойкости асфальтобетона в зависимости от доли водонерастворимой части пиролизной жидкости. Расчёт производился с помощью выражения:
, (2) где ссух - предел прочности сухого образца, МПа; свн - предел прочности водонасыщенного образца, МПа.
9 0.95
0.9
о 0.85
0,8
Ж 0,75
0.7
1 ч
/
10
30
40
50
Содержание отстойной др евеснои смолы, %
Рис. 3 - Зависимость коэффициента водостойкости асфальтобетона от содержания отстойной древесной смолы
При увеличении содержания отстойной древесной смолы происходит увеличение коэффициента водостойкости, что, как уже было сказано, скорее всего, связано с поверхностно-активными свойствами пиролизной жидкости, которые позволяют улучшить обволакиваемость минеральных частиц вяжущим.
В результате проведённых исследований был сделан вывод, что добавка отстойной древесной смолы в битумное вяжущее в количестве до 50% улучшает водостойкость асфальтобетона. Оптимальные значения прочности при этом показали образцы с содержанием отстойной древесной смолы 10-20%. В дальнейшем необходимо провести исследования других свойств асфальтобетона, нормируемых стандартами.
Литература
1. Грушко И.М. Дорожно-строительные материалы. Учебник для вузов // И.М. Грушко, И.В. Королев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1991. - 357 с.
2. Файзрахманова, Г.М. Использование древесной пиролизной жидкости для получения компонента вяжущего для дорожного строительства / Г.М. Файзрахманова, С.А. Забелкин, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров, А.А. Макаров // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16, №8. - С. 312-314.
3. Забелкин, С.А. Синтез химических продуктов с использованием древесной пиролизной жидкости / С.А. Забелкин, Г.М. Файзрахманова, Л.Н. Герке, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник МГУЛ - Лесной вестник -2012. №7 - С. 131-135.
4. Колбас, Н.С. Исследования по укреплению грунтов древесно-смоляным пёком для строительства лесовозных дорог: Дис. ... канд. Тех. Наук. - Ленинград, 1966.- 272 с.
5. Киселёв, В.П. Комплексное использование отходов химической переработки биомассы дерева и других вторичных ресурсов в производстве композиционных вяжущих и материалов, полученных на их основе: Дис. ... д-ра тех. наук. - Красноярск, 2006.- 370 с.
6. Методические рекомендации по применению составленных вяжущих в покрытиях автомобильных дорог. — 1980 [Электронный ресурс]. — URL: https://standartgost.ru/s/id0-
43728/Методические_рекомендации (дата обращения: 09.09.2014).
7. Файзрахманова, Г.М. Использование древесной пиролизной жидкости для получения химических продуктов / Г.М. Файзрахманова, С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15, №15. -С. 101-103.
8. Грачёв, А.Н. Утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза / А.Н. Грачёв, Т.Д. Исхаков,
B.Н. Башкиров, Р.М. Иманаев // Вестник КГТУ. - 2008. - № 5. - С. 166-171.
9. Пат. на изобретение № 2395559. РФ, Способ термической переработки органосодержащего сырья / Грачев А.Н., Башкиров В.Н., Забелкин С.А., Макаров А.А., Тунцев Д.В., Хисматов Р.Г.; 10.03.2009.
10. Грачев, А.Н. Термохимическая переработка лигноцеллюлозного сырья в биотопливо и химические продукты / А.Н. Грачев и др. // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16, №21. -
C. 109-111.
11. Макаров, А. А. Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме / А.А. Макаров, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин, А.Т. Шаймуллин // Вестник КГТУ. - 2011. - №8. - С. 68-72.
12. Забелкин, С.А. Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование / С.А. Забелкин, А.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. -№20. - С. 39-42.
13. Патент США US 2014/0200291 A1 (2014).
14. Патент США US 2011/0294927 A1 (2011).
15. Bio-materials & chemicals . - 2012 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.btgworld.com/en/rtd/technologies/bio-materials-chemicals (дата обращения 09.09.2014).
16. Изучение взаимодействия дивинилстирольного термоэластопласта с битумом / В.П. Киселёв, И.С. Рубайло, Г.В. Василовская [и др.] // Изв. вузов. Строительство. - 1997. - № 7. - С. 51-54.
17. Выродов, В.А. Технология лесохимических производств / В.А. Выродов, А.Н. Кислицин, М.И. Глухорева. - М.: Лесная промышленность, 1997. - 352 с.
18. ГОСТ 12801-98. Материалы на основе органических вяжущих для дорожного и аэродромного строительства. Методы испытаний.
19. Грачёв А.Н. Разработка методов расчёта технологии и оборудования пирогенетической переработки древесины в жидкие продукты: Дисс. ... докт. техн. наук. - Казань, 2012.
20. Макаров, А.А. Термическое разложение древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза: Дисс. ... канд. тех. наук. - Казань, 2011.
21. ГОСТ 9128-84. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия.
22. ГОСТ 12730.3-78. Бетоны. Метод определения водопоглощения.
23. ГОСТ 12730.2-78. Бетоны. Методы определения влажности.
24. Справочник дорожных терминов. Под ред. В.В. Ушакова. - М.: ЭКЦ «Экон», 2005.
25. Забелкин, С.А. Исследование адгезионных свойств композиционного битумного вяжущего с применением жидких продуктов быстрого пиролиза древесины / С. А. Забелкин, Г.М. Файзрахманова, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, № 8. - С. 284-286.
26. Халитов, А.З. Экспериментальное исследование свойств древесной подстилочной массы / А. З. Халитов, А.Н. Грачев, А. А. Макаров, В. Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, №6. - С. 75-76.
27. Ильина, О. Н. Исследование жидких продуктов быстрого пиролиза древесины (бионефти) в качестве комплексной добавки для дорожно-строительных материалов / О.Н. Ильина, Г.М. Файзрахманова, А.Н. Грачев, В. Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №24. - С. 213216.
28. Макаров, А.А. Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме / А. А. Макаров, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин, А.Т. Шаймуллин // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - №8. - С. 68-72.
© Г. М. Файзрахманова - асп. каф. химической технологии древесины КНИТУ, ke4kene@yandex.ru; С. А. Забелкин - к.т.н., доц. той же кафедры, szabelkin@gmail.com; А. Н. Грачев - д.т.н., проф. той же кафедры, energolesprom@gmail.com; В. Н. Башкиров - д.т.н., проф., зав. каф. химической технологии древесины КНИТУ, vlad_bashkirov@mail.ru.
© G. M. Fayzrakhmanova, the postgraduate student, Department of "Chemical Technology of Wood", KNRTU,
ke4kene@yandex.com; S. A. Zabelkin, Ph.D., Associate Professor, Department of "Chemical Technology of wood", KNRTU,
szabelkin@gmail.com; A. N. Grachev, Ph.D., Professor, Department of "Chemical Technology of wood", KNRTU,
energolesprom@gmail.com; V. N. Bashkirov, Ph.D., Professor, Department of "Chemical Technology of wood", KNRTU, vlad_bashkirov@mail.ru.
