Модификация битумных вяжущих жидкими продуктами быстрого абляционного пиролиза древесины Файзрахманова Гузелия Мансуровна

Введение к работе

Актуальность темы. 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 распространенных 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.

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 удаленных 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.

Растительное сырьё является полимерным материалом, при термохимической переработке которого образуются смолы и олигомерные продукты, которые могут применяться в качестве местных компонентов вяжущих битумных материалов.

Наибольший выход жидких продуктов (до 75 % мас.) достигается при быстром абляционном пиролизе биомассы – термическом разложении биополимеров в отсутствии окислительной среды при высокой (до 1000 С/с) скорости нагрева, малом времени пребывания продуктов в реакционном пространстве и механической активации. Жидкие продукты быстрого абляционного пиролиза включают в себя большое количество соединений с различными свойствами. В частности, они включают в себя как водорастворимые (альдегиды, гидроксиацетатальдегиды, низшие карбоновые кислоты, кетоны, ангидросахара, углеводы), так и водонерастворимые компоненты (ароматические углеводороды и их метиловые эфиры, олигомеры лигнина, смолы и др.). 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, что на взгляд автора позволит улучшить характеристики вяжущего с использованием местных материалов.

Таким образом, разработка технологии получения битумного вяжущего и асфальтобетона с применением жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины является актуальной задачей.

Степень проработанности проблемы. Применению продуктов термического разложения древесины в дорожных вяжущих и укреплению грунтов посвящён ряд работ учёных: Млетовского В.И., Колбаса Н.С. и др. СОЮЗДОРНИИ разработал методические рекомендации, которые допускают добавление отстойных древесных пиролизных смол до 20 % в качестве компонента дорожных вяжущих, снижающего их себестоимость.

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 BTG (Нидерланды). Результаты исследований показали весьма многообещающую перспективу их использования в дорожном строительстве.

Цель работы состоит в получении и исследовании физико-химических

свойств битумных вяжущих и асфальтобетона с применением жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины березы. В связи с этим в представленной работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать состав и свойства жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины березы;

2. Оценить механизмы взаимодействия битума с жидкими продуктами быстрого абляционного пиролиза древесины;

3. Разработать научные основы и методы применения жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины в качестве компонента дорожного вяжущего;

4. Исследовать физико-механические и химические свойства композиционного битумного вяжущего и модифицированного асфальтобетона;

5. Разработать рациональную рецептуру композиционных битумных вяжущих и модифицированного асфальтобетона на их основе.

Научная новизна.

6. Установлено, что жидкие продукты быстрого абляционного пиролиза древесины березы включают в себя низкомолекулярные компоненты (20-30 %), с молекулярной массой до 200 Да, а также олигомерную фракцию (до 30 %) со среднемас-совой молекулярной массой 993 Да, которая может использоваться в качестве компонента органического вяжущего материала для дорожного строительства.

7. Исследованиями методами ГХ/МС и ИК-спектрометрии жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины установлено наличие кислородосо-держащих соединений с активными функциональными карбоксильными, карбонильными и ацетильными группами, а также ароматические структуры, которые позволяют улучшить адгезию битумных вяжущих.

8. Установлено, что модификация пиролитическим лигнином битумного вяжущего увеличивает растяжимость, снижает температуру хрупкости, незначительно увеличивает глубину проникания иглы и снижает температуру размягчения с последующей стабилизацией, что позволяет моделировать новые рецептуры композиционных битумных вяжущих для дорожного строительства.

4. Установлен характер зависимости адгезионной прочности битумного вя
жущего от содержания пиролитического лигнина: с увеличением содержания пиро-
литического лигнина адгезионная прочность нарастает до определённого оптимума,
соответствующего 10 % содержания, с последующим монотонным снижением до
концентрации 80%, дальнейшее увеличение приводит к резкому снижению адгези
онной прочности до значения адгезионной прочности модификатора.

5. В ходе исследований установлено воспроизводимое увеличение объёма
вяжущего материала до 38 % при содержании пиролитического лигнина 15 %, в ра
бочем диапазоне температур 100-140 С, которое позволяет снизить расход вяжущих
материалов при производстве асфальтобетонных смесей.

Практическая ценность. Результаты исследований показали возможность использования в качестве компонента органического вяжущего для асфальтобетона марки II, тип Б жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза в количестве до 10% и пиролитического лигнина до 20% с улучшением адгезионных свойств битумного вяжущего при соблюдении нормативных требований. Установленное увеличение объема вяжущего позволяет уменьшить расход вяжущего до 4 раз при приготовлении модифицированного асфальтобетона.

Реализация работы. Результаты приведенных в работе исследований реали-

зованы при создании модифицированной асфальтобетонной смеси с использованием композиционного битумного вяжущего с применением жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза и пиролитического лигнина для дорожного строительства. Результаты исследования реализованы при разработке методики модификации вторичных битумных материалов, образующихся при переработке отходов мягкой кровли. Реализация результатов работы для удаленных регионов позволит обеспечить переработку отходов лесного комплекса с вовлечением их в дорожностроительную отрасль.

Автор защищает.

1. Результаты исследований состава и свойств жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины березы;

2.Зависимость физико-механических и химических свойств композиционного битумного вяжущего от рецептуры и вида модификатора (жидкие продукты быстрого абляционного пиролиза и пиролитический лигнин);

3. Зависимость физико-механических и химических свойств модифицированного асфальтобетона с применением композиционного битумного вяжущего от рецептуры и вида модификатора (жидкие продукты быстрого абляционного пиролиза или пиролитический лигнин).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты, выносимые на защиту, относятся к п. 11 «Химия и технология пирогене-тических производств» и п. 12 «Химия и технология лесохимических продуктов и биологическиактивных веществ» паспорта специальности 05.21.03 «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины» и п. 2 «Полимерные материалы и изделия; пластмассы, волокна, каучуки, покрытия, клеи, компаунды, получение композиций, прогнозирование свойств, фазовые взаимодействия, исследования в направлении прогнозирования состав-свойства, гомогенизация композиции, процессы изготовления изделий (литье, формование, прессование, экструзия и т.д.), процессы, протекающие при этом, последующая обработка с целью придания специфических свойств, модификация, вулканизация каучуков, отверждение пластмасс, синтез сетчатых полимеров» паспорта специальности 05.17.06 «Технология и переработка полимеров и композитов».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международном конгрессе «Биомасса: Топливо и энергия», г. Москва, 2012; всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения», г. Красноярск, 2012; научной школе «Технические решения и инновации в технологиях переработки полимеров и композиционных материалов», г. Казань, 2012; I-ой международной научно-технической интернет-конференции: Лесной комплекс в XXI веке, г. Казань, 2013; 30th Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals, г. Портленд, США, 2013; международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы – 2013» (МНТК «МНТК «ИМТОМ») и форуме «Повышение конкурентоспособности и энергоэффективности машиностроительных предприятий в условиях ВТО», г. Казань, 2013; международной научно-технической конференции «Эколого-ресурсосберегающие технологии и системы в лесном и сельском хозяйстве» (03 июня – 05 июня), г. Воронеж, 2014; всероссийской заочной научно-практической конференции «Математическое и экспериментальное моделирование физических процессов», Биробиджан, 2014; международной научно-технической конференции «Механика технологических процессов в лесном комплексе», г. Воронеж, 2014.

Личное участие автора заключается в постановке основных идей диссертации, а также в разработке и решении задач теоретического и экспериментального характера. При непосредственном участии автора исследован состав жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины березы, разработана методика их сепарации и приготовления композиционного вяжущего, проведены экспериментальные исследования физико-механических свойств битумных вяжущих с применением жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины и отработана рецептура приготовления модифицированных асфальтобетонной смеси и асфальта с использованием битумного вяжущего с применением жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации работ. Автором определены физико-химические свойства битумного вяжущего с применением жидких продуктов быстрого абляционного пиролиза древесины. Активное участие в работе принял к.т.н., доцент Забелкин С.А.

Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 22 печатных работы, из которых 10 в журналах, рекомендованных ВАК и 2 методические рекомендации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 226 страницах машинописного текста и включает в себя 84 рисунка и 30 таблиц. Список литературы содержит 159 источников.