CC BY
28
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 674.8:625.85
Г. М. Файзрахманова, С. А. Забелкин, А. Н. Грачев, А. И. Абдуллин, М. Р. Гибадуллин
ПРОЧНОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ
МОДИФИЦИРОВАННОГО БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО ЖИДКИМИ ПРОДУКТАМИ
БЫСТРОГО АБЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ БЕРЁЗЫ
Ключевые слова: пиролитический лигнин, битум, вяжущее, жидкие продукты быстрого абляционного пиролиза древесины.
В статье рассматривается возможность применения жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины березы в качестве компонента вяжущего в дорожном строительстве. Исследованы прочностные характеристики модифицированного асфальтобетона, которые показали, что оптимальное содержание пи-ролитического лигнина в битумном вяжущем составляет 5%.
Key words: pyrolytic lignin, bitumen, binder, liquid products of wood fast pyrolysis.
The possibility of the use of wood fast ablative pyrolysis products as a component of binder in road construction has been considered. The strength characteristics of the modified asphalt concrete have been investigated, that showed that the optimum content of the pyrolytic lignin in asphalt binder is 5 %.
Введение
Ввиду сокращения запасов ископаемого сырья, всё более актуальным становится вопрос вовлечения возобновляемых ресурсов в различные отрасли промышленности, в том числе и в дорожном строительстве. Одним из наиболее распространённых возобновляемых ресурсов в условиях РФ является древесина. Уровень отходов в ЛПК составляет более 80 %, т.е. до потребителя доходит в среднем 10-15 % от биомассы дерева [1].
Одним из определяющих факторов в социально-экономическом развитии регионов является развитие дорожной сети. Тем не менее, производство дорожных битумов, как правило, осуществляется централизованно, что сдерживает развитие дорожной сети удалённых регионов. 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.
Клеточная стенка растительного сырья и её структурные составляющие являются полимерами, при термохимической переработке которых образуются смолы и олигомерные продукты, которые могут применяться в качестве местных компонентов вяжущих битумных материалов[2, 3].
Наибольший выход жидких продуктов (до 75 % мас. [4-7]) достигается при быстром абляционном пиролизе биомассы - термическом разложении биополимеров в отсутствие окислительной среды при высокой (до 1000 °С/с) скорости нагрева, малом времени пребывания продуктов в реакционном пространстве и механической активации [8-11]. Жидкие продукты быстрого абляционного пиролиза включают в себя большое количество соединений с различными свойствами. В частности, они включают в
себя как водорастворимые (альдегиды, низшие кар-боновые кислоты, кетоны, ангидросахара, углеводы), так и водонерастворимые компоненты (ароматические углеводороды и их метиловые эфиры, оли-гомеры лигнина, смолы и др.) [12]. Содержащиеся в данных соединениях функциональные, карбонильные, метоксильные, гидроксильные и карбоксильные группы потенциально должны увеличивать адгезию битумов к минеральному материалу за счёт взаимодействия с основными группами карбонатных пород минеральной фракции асфальтобетона [13-16], что может улучшить характеристики вяжущего с использованием местных материалов.
Материалы и методы исследования
Жидкие продукты быстрого абляционного пиролиза древесины были получены на установке УБП-50 из измельчённой сухой стволовой древесины берёзы (рис. 2.3.) при средней температуре 500±50 °С. Влажность древесины составляла 8±0,5 %. Гранулометрический состав частиц исходного сырья был от 0,5 до 5 мм, зольность - 0,3 %.Содержание экстрактивных веществ: смолы и жиры - 1,2 %, вещества растворимые в горячей воде - 2,2 %, пентозаны (с уроновыми кислотами) - 26,4 %. [17, 12].
Для выделения пиролитического лигнина (ПЛ) из жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины (ПЖ) осуществлялась их сепарация путём водной экстракции и отстаивания пиролити-ческого лигнина [18].
Подготовка фракции пиролитического лигнина осуществлялась следующим образом. Проба жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины заливались в центрифужную пробирку, после чего в соотношении 1:10 заливалась дистиллированная вода. Для полного взаимодействия жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древе-
сины с дистиллированной водой пробирка центрифуги помещалась в ультразвуковую ванну с температурой воды <40 °С и выдерживалась в течение 30 минут. Пробирка периодически встряхивалась. Для сокращения времени отстаивания пробирка помещалась в центрифугу и выдерживалась в течение 30 минут при частоте вращения 4500 об./мин. После декантации водорастворимая фракция сливалась через бумажный фильтр, установленный в воронке. Пробирка с пиролитическим лигнином один раз омывалась дистиллированной водой и вновь фильтровалась через тот же фильтр. Выход пиролитиче-ского лигнина, оставшегося в пробирке и на фильтре, составил около 30% от массы жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины.
Композиционное битумное вяжущее для испытаний изготавливалось из дорожного битума марки БНД 60/90 и суммарных жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза, а также фракции пиро-литического лигнина, предварительно подготовленных по методу, изложенному выше. Для получения композиционного битумного вяжущего для дорожного строительства битум нагревался до 120-140 °С. Пиролитический лигнин нагревался до температуры 80-90 °С, после чего смешивался с битумом в установленном количестве в диапазоне концентраций от 0 до 100% и выдерживался в изотермическом режиме при температуре 100°С в течение 30 минут с периодическим перемешиванием. Жидкие продукты быстрого абляционного пиролиза, с целью минимизации испарения легколетучих компонентов, добавлялись к нагретому до 100°С битуму при комнатной температуре. Затем осуществлялся прогрев смеси до 100°С и выдержка в течение 30 мин. После этого полученное вяжущее охлаждалось до комнатной температуры, и производились испытания его характеристик.
Образцы асфальтобетона изготавливались из минеральной части и вяжущего. В качестве минеральной части использовались песчано-гравийная смесь или щебень разной фракции с обогащённым песком. В качестве вяжущего применялось композиционное битумное вяжущее с различным содержанием жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины или пиролитического лигнина. Массовые соотношения компонентов в образцах модифицированного асфальтобетона устанавливались в соответствии с представленными в таблице 1 данными.
Таблица 1 - Массовые соотношения компонентов модифицированного асфальтобетона
Компонент Массовое содержание, %
Щебень марки 20 41,3
Щебень марки 10 20,3
Песок 28,6
Минеральный порошок 5,7
Вяжущее 4,1
Подготовка образцов осуществлялась следующим образом. Минеральный материал нагревался до температуры 160-170 °С, а вяжущее - до 140-150 °С. После этого компоненты смешивались при температуре 145-155 °С в течение 30 мин. в металлической ёмкости при перемешивании с интенсивностью 60 об./мин. Затем готовая смесь укладывалась в форму. Форма для изготовления цилиндрических образцов представляла собой стальной полый цилиндр в виде кассеты с двумя цилиндрическими пуансонами диаметром 71,4 мм (рис. 1).
Рис. 1 - Форма одиночная обычная
Формы перед изготовлением образца прогревались в сушильном шкафу при 140 °С. Уплотнение смеси проводилось прессованием на гидравлическом прессе при удельном давлении прессования 20 МПа с продолжительностью прессования 3 минуты. Затем форма с образцом охлаждалась при комнатной температуре в течение 10 мин., и образец извлекался путём аккуратного выдавливания пуансоном. На рис. 2 представлены образцы модифицированного асфальтобетона с применением композиционного вяжущего с использованием жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины.
я
9
а б
Рис. 2 - Образцы модифицированного асфальтобетона с применением композиционного вяжущего с использованием жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины: а) пес-чано-гравийная смесь; б) щебень
Полученные образцы стабилизировались и выдерживались при нормальных условиях в течение 24 часов до проведения испытаний.
Испытания образцов на прочность проводились на универсальной испытательной машине ИР 508250 со скоростью движения плит 20 мм/мин. при
температуре 20°С. Предел прочности на сжатие определялся в соответствии с ГОСТ 28840 [19].
Результаты и обсуждение
Результаты исследования прочности на сжатие образцов модифицированного асфальтобетона (щебень и ПГС), полученного с использованием композиционного битумного вяжущего с применением жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины берёзы представлены на рис. 3 и 4.
7 6
«
5 4 g4
V
/к А / 1\
/ \4 |\ . . ПЛ
•
\ < ____
ПЖ i "—-----
f4^
*** 1
ПЛ (ПГС)
20 30 40
Соовдержанне модификатора, %
50
60
Рис. 3 - Зависимость предела прочности образцов модифицированного асфальтобетона (щебень и ПГС) при 20°С от содержания модификатора
и
§5
EL
V 4
х i
* з
fi J
î2 О
? 1
Б i mil
Biuyw (ICI
ПЖ
пл
ГГС1(ПГС)
ли_
(ПГС)
ПЖ
тш—
(ПГС)
5 10 20 30 40 Содержание модификатора, %
50
60
Рис. 4 - Зависимость изменения прочности на сжатие при 20°С от содержания модификатора в образцах модифицированного асфальтобетона (щебень и ПГС)
Из зависимости 3 видно, что предел прочности модифицированного асфальтобетона (щебень) при 20 °С возрастает относительно контрольного образца при концентрации ПЛ до 5 %, после чего снижается. При добавке ПЖ предел прочности снижается по сравнению с контрольным образцом, что связано, видимо, с содержанием веществ, которые ухудшают свойства смеси.
При добавлении ПЛ в асфальтобетон (ПГС) прочность на сжатие увеличивается в диапазоне от 5 до 30 %. Максимальное увеличение прочности (в 1,4 раза выше, чем у контрольного образцы) достигается при содержании модификатора 30 %.
Полученный модифицированный асфальтобетон с использованием композиционного битумного вяжущего с применением ПЖ и ПЛ удовлетворяет требованиям ГОСТ 9128-2013 в части исследуемых показателей [20]. При этом наилучшими показателями по прочности на сжатие обладали образцы модифицированного асфальтобетона с применением ПЛ при содержании в 5%.
Литература
3
Единая межведомственная информационно-статистическая система (ЕМИСС) [Электронный ресурс] // введена приказом Минкомсвязи России и Росстата от 16 ноября 2011 года №318/461 - Электрон. текст. дан. -Режим доступа: http://www.gks.ru/. Файзрахманова, Г.М. Модификация дорожного битума отстойной древесной смолой // Г.М. Файзрахманова, С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров / Вестник Казанского технологического университета- 2015. - т.18 №3. - С.126-129. Varfolomeev, M. A. Thermal Analysis and Calorimetric Study of the Combustion of Hydrolytic Wood Lignin and Products of Its Pyrolysis / M. A. Varfolomeev, A. N. Grachev, A. A. Makarov, S. A. Zabelkin, V. N. Emel'yanenko,T. R. Musin, A. V. Gerasimov, D. K. Nurgaliev // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. -March 2015. - V. 51. - I. 1. - pp. 140-145.
4. Файзрахманова, Г.М. К вопросу применения жидких продуктов пиролиза древесины для получения компонента вяжущего для дорожного строительства // Г.М. Файзрахманова, С. А. Забелкин, А. Н. Грачев, В. Н. Баш-киров / Международная заочная научно-практическая конференция «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика»: сборник научных трудов. - К, 2014. №2 ч. 3(7-3) - С. 174-176.
5. Файзрахманова, Г. М. Использование древесной пиро-лизной жидкости для получения компонента вяжущего для дорожного строительства / Г.М. Файзрахманова, С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, А.А. Макаров // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - т.16 №13. - C. 133-134.
6. Гильфанов, М.Ф. Исследование термохимического метода переработки органических отходов агропромышленного комплекса, деревообрабатывающей и лесной промышленности / Гильфанов М.Ф., Башкиров В.Н., Файзрахманова Г.М., Забелкин С.А., Грачев А.Н., Хали-тов А. З., Земсков И. Г. // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15. - С. 66-68.
7. Забелкин, С.А. Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование / С.А. Забелкин,
A.Н. Грачёв, В.Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 24. - С. 39-42.
8. Забелкин, С.А. Синтез химических продуктов с использованием древесной пиролизной жидкости / С. А. Забел-кин, Г.М. Файзрахманова, Л.Н. Герке, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник МГУЛ-Лесной вестник. - 2012. -№7. - С. 131-135.
9. Грачев, А.Н. Утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза / А.Н. Грачев, Т.Д. Исхаков,
B.Н. Башкиров, Р. М. Иманаев // Вестник Казанского технологического университета. - 2008. - №5. - С. 166-171.
10. Куликов, К.В. Получение и исследование жидких биотоплива из биомассы дерева методом пиролиза / К.В. Куликов, В.В. Литвинов, В.Н. Пиялкин, С.А. Забелкин, В.Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - т.15 №13. - С. 197-200.
11. Грачев, А.Н. Термохимическая переработка лигноцел-люлозного сырья в биотопливо и химические продукты / А.Н. Грачев, А.А. Макаров, С.А. Забелкин, В.Н. Башки-ров // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16., № 21. - С. 109-111.
12. Забелкин, С.А. Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование: Дисс. ... канд. техн. наук / С.А. Забелкин; Казанский национальный исследовательский технологический университет. - Казань, 2011. - 183 с.
13. Киселев, И.С. Изучение взаимодействия дивинилсти-рольного термоэластопласта с битумом / И.С. Киселев, Г.В. Рубайло и др. // Изв.вузов Строительство. - 1997. -№7. - С. 51-54.
14. Выродов В.А. Технология лесохимических производств / В.А. Выродов, А.Н. Кислицин, М.И. Глухорева. - М.: Лесная промышленность, 1997. - 352с.
15. Файзрахманова, Г.М. Влияние циклических тепловых воздействий на адгезионную прочность битумного вяжущего модифицированного продуктами пиролиза древесины // Г.М. Файзрахманова, С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров / Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т.17 №15. - С.274-276.
16. Забелкин, С.А. Температурная стабильность битумного вяжущего, модифицированного продуктами быстрого
пиролиза древесины березы / С.А. Забелкин, Г.М. Файзрахманова, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. № 15. - С. 252-255.
17. Грачев, А.Н. Разработка методов расчета технологии и оборудования пирогенетической переработки древесины в жидкие продукты: дис.докт.тех.наук. / А.Н. Грачев. -Казань, 2012. - 340 с.
18. Забелкин, С.А. Исследование адгезионных свойств композиционного битумного вяжущего с применением жидких продуктов быстрого пиролиза древесины / . А. Забелкин, Г. М. Файзрахманова, С В. Н. Башкиров, А. Н. Грачев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т.17, №8.- С. 284-286.
19. ГОСТ 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования. - М.: ИПК Издательство Стандартов, 2004. -С. 8.
20. ГОСТ 9128-2013. Смеси асфальтобетонные, полиме-расфальтобетонные, асфальтобетон, полимерасфальто-бетон для автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия. Введ. 01.11.2014. - ФАУ "ФЦС". - М.: Стандартинформ, 2014. - 50 с.
© Г. М. Файзрахманова, асп. каф. «Химическая технология древесины», КНИТУ, ke4kene@yandex.ru; С. А. Забелкин, к.т.н., доц. той же кафедры, szabelkin@gmail.com; А. Н. Грачев, д-р техн. наук, доц. той же кафедры, energolesprom@gmail.com; А. И. Абдуллин, к.т.н., доц. каф. «Химическая технология переработки нефти и газа», КНИТУ, ayaz_abdullin@kstu.ru; М. Р. Гибадуллин, к.т.н., доц. каф. «Химии и технологии высокомолекулярных соединений», КНИТУ, gibadullin@kstu.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; A. I. Abdullin, Ph.D., Associate Professor, Department of " Chemical technology of oil and gas ", KNRTU, ayaz_abdullin@kstu.ru; M. R. Gibadullin, Ph.D., Associate Professor, Department of "Chemistry and technology of macro-molecular compounds", KNRTU, gibadullin@kstu.ru.
