Научная статья на тему 'Модификация дорожного битума отстойной древесной смолой'

Модификация дорожного битума отстойной древесной смолой Текст научной статьи по специальности «Транспорт»

57
30
Поделиться
Ключевые слова
ОТСТОЙНАЯ ДРЕВЕСНАЯ СМОЛА / ВОДОНЕРАСТВОРИМАЯ ФРАКЦИЯ ПИРОЛИЗНОЙ ЖИДКОСТИ / WATER-INSOLUBLE FRACTION OF PYROLYSIS LIQUID / БИТУМ / BITUMEN / ВЯЖУЩЕЕ / ASTRINGENT / ВОДОСТОЙКОСТЬ / WATER RESISTANCE / ВОДОНАСЫЩЕНИЕ / ПРОЧНОСТЬ / STRENGTH / АСФАЛЬТОБЕТОН / ASPHALT-CONCRETE / WATER SATURATION

Аннотация научной статьи по транспорту, автор научной работы — Файзрахманова Г.М., Забелкин С.А., Грачев А.Н., Башкиров В.Н.

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.

Похожие темы научных работ по транспорту , автор научной работы — Файзрахманова Г.М., Забелкин С.А., Грачев А.Н., Башкиров В.Н.,

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Модификация дорожного битума отстойной древесной смолой»

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%.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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].

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

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.