CC BY
1_ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ_
ВЛИЯНИЕ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА НА СВОЙСТВА ГИПСОВОВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
12 3
Джаббарова Н.Э. , Мирзоева Ч.Г. , Курбанова А.К.
1Джаббарова Нателла Эйюбовна - кандидат химических наук, доцент, 2Миргоева Чичяк Гариб - магистр, 3Курбанова Алмаз Курбан - заведующая лабораторией, кафедра химии и технологии неорганических веществ, химико-технологический факультет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: в представленной работе приводятся результаты изучения возможности использования твердых промышленных отходов в строительных материалах. Определены составы исходного сырья - гипса и микрокремнезема -отхода производства ферросплавов Сумгаитского завода (Азербайджан). Изучено влияние микрокремнезема на прочность при сжатии и изгибе гипсововяжущего. Установлено, что при введение добавки микрокремнезема в количестве 15-20% прочность на сжатие и на изгиб достигает макимального значения 15.2 и 5.5 МПа соответственно. Дальнейшее увеличение количества микрокремнезема более 20% приводит к снижением прочности гипсововяжущего.
Ключевые слова: промышленные отходы, микрокремнезем, свойства, гипсововяжущие, прочность на сжатие и изгиб.
УДК 691.32
Одним из наиболее актуальных вопросов развития науки и техники является процесс переработки природных и техногенных отходов. За последние годы в этом направлении проделана значительная работа. Помимо производства основного продукта, при соответствующей переработке части образующихся отходов можно получить некоторые сопутствующие продукты, имеющие экономическую ценность и широкое применение. Очевидно, что воздействие этих побочных продуктов на окружающую среду и здоровье должно соответствовать национальным и международным нормам [1-5].
В Азербайджане, в отличие от европейский стран, перерабатывается лишь около 20% от общего количества отходов, что приводит к сокращению природных ресурсов, качества окружающей среды и негативному воздействию на здоровье населения. В настоящее время проблема утилизации отходов актуальна во всем мире. Вредные отходы в промышленных зонах различных стран создали очень серьезные экологические проблемы, поэтому их переработке и вторичному использованию сегодня уделяется особое внимание.
В связи с этим важно создание научно обоснованных технологий переработки и повторного использования местного минерального сырья и промышленных отходов [6-8].
Строительные отходы считаются крупнотоннажными отходами. Гипс - один из самых распространенных материалов, используемых в строительстве. Расширение исследований, разработок, производства и применения гипсовых вяжущих является одним из актуальных направлений решения современных экологических проблем. Расширение производства и проблемы гипсовых материалов могут быть в определенной степени решены, поскольку гипсовые строительные материалы характеризуются сравнительно низкой тепло- и звукопроницаемостью, экологической безопасностью, достаточной прочностью и огнестойкостью. В мировом строительном
опыте быстро растет производство различных видов высококачественных строительных материалов на основе гипсовых вяжущих [9-11].
Недостатками гипсовых композитов являются низкая прочность и водостойкость, что ограничивает их применение. Большинство из этих недостатков можно устранить путем включения синтетических или натуральных волокон в гипсовые изделия, что делает их более универсальными в строительном применении.
Микрокремнезем является отходом производства ферросплавов, а порошки микрокремнезема являются основной добавкой, обладающей адгезионными свойствами.
С 16 ноября 2018 года в Азербайджане работает завод цветных металлов и ферросплавов ООО «Baku Non Ferrous and Foundry Company», резидент Сумгаитского химико-промышленного парка. На заводе по итальянской технологии планируется производить 50 тысяч тонн ферросилиция и 72 тысячи тонн ферросиликомарганца в год, продукция будет полностью обеспечивать потребности внутреннего рынка, а также будет экспортироваться за границу [12].
Использование водостойких и морозостойких гипсокомпозитных материалов позволит заменить энергоемкий цементобетон, сократить сроки строительства, а также снизить негативное воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционно используемым портландцементом.
Положительные свойства гипса (экологичность, быстрое затвердевание, безусадочность, хорошая теплоизоляция и звукопоглощение, огнестойкость, положительное влияние на здоровье человека за счет создания благоприятного микроклимата в здании и др.) способствуют сохранению продуктивности зданий из композиционных гипсовых материалов и позволяет повысить комфортность их внутренней среды, что и является основной целью «зеленого» строительства. Таким образом, экологические и технико-экономические аспекты производства гипсовых композиционных материалов указывают на возможность их широкого применения в новых перспективных областях традиционного, а также современного строительства.
В настоящее время существует довольно широкий выбор композиционных гипсовых вяжущих, при этом в большинстве случаев одним из компонентов является кремнезем.
Ряд исследований [9-11], направленных на изучение гипсоцементно-пуццоланового вяжущего предполагают его получение, путем смешивания полуводного гипса (строительный или высокопрочный), портландцемента и кислой активной минеральной (пуццолановой) добавки.
Как известно, смеси гипсовых вяжущих веществ с портландцементом при твердении характеризуются структурной неустойчивостью. При затворении водой они вначале интенсивно твердеют, но через 1-3 мес., а иногда и позднее возникают деформации, обусловливающие обычно не только падение прочности, но даже разрушение системы. Такое поведение смесей гипсовых вяжущих с портландцементом при твердении - следствие образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция из высокоосновных алюминатов кальция, содержащихся в портландцементе, и сульфата кальция.
Целью настоящей работы является изучение свойств композиционного гипсового вяжущего с применением - микрокремнезема - отхода производства ферросплавов.
Для изучения гипсовых композиционных материалов с добавками микрокремнезема был использован строительный гипс местного производства марки Г-5БП производственной фирмы ABADLIQ (г.Гянджа).
В составе микрокремнезема до 96-97% оксида кремния SiO2, остальное - оксиды алюминия, магния, калия и др.
В качестве активатора-связующего в процессе получения, вяжущего использовалось жидкое стекло - силикат натрия.
12
Результаты изучения свойств гипсового вяжущего приведены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-механические свойства гипсового вяжущего.
№ Показатель Единица измерения Гипсовое вяжущее
1 Тонкость помола, остаток на сите № 02 % 2,5
2 Нормальная густота % 51
3 Сроки схватывания: - начало - конец мин. 6 8
4 Предел прочности при изгибе: - через 2 часа - в высушенном до постоянной массы состоянии МПа 3,2 5,8
5 Предел прочности при сжатии: - через 2 часа - в высушенном до постоянной массы состоянии МПа 6,1 16,2
6 Коэффициент размягчения - 0,33
Для проведения испытания на прочность при сжатии и изгибе гипсововяжущего применяли форму размером 40x40x160 мм, пластинки для передачи нагрузки; шкаф сушильный, обеспечивающий температуру нагрева 100-110 °С.
Для уплотнения раствора форму балочек с насадкой и подготовленную форму закрепляли в центре виброплощадки, плотно прижимая ее к плите.
После изготовления образцы в формах выдерживали в течение 12±2 ч в сушильном шкафу при температуре 107-110 °С, или в нормальных условиях при температуре (20±3) °С выдерживали (36±2) ч.
По истечению установленного времени хранения, образцы осторожно расформовывали и оставляли твердеть в естественных условиях в течении 28 суток, или высушивали до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 100-110 °С.
Были проведены исследования влияния концентрации микрокремнезема на физико-механические характеристики гипсововяжущей системы. Исследования материалов проводились по принятым методикам «Вяжущие гипсовые. Методы испытаний» [13], на стандартных образцах-балочках размером 16x4x4 см. Расход воды на 1 м формовочной смеси регулировался в зависимости от стандартной консистенции (нормальной густоты) гипсового теста. В качестве контрольного, выступал бездобавочный состав вяжущего.
Количество микрокремнезема варьировали от 10 до 30%, с шагом варьирования 5%. При обработке экспериментальных данных использовались статистические методы.
На диаграммах (рис. 1, 2) показаны результаты испытаний образцов гипсововяжущего с добавкой отхода производства ферросплавов - микрокремнезема.
Анализ полученных данных по основным эксплуатационным характеристикам экспериментальных составов позволил сделать следующие выводы: введение микрокремнезема повышает прочностные свойства, оказывает пластифицирующий эффект, при этом увеличивает время твердения и незначительно повышает плотность композиции, по сравнению с контрольным составом.
0 10 15 20 25 30
Содержание микрокремнезема, %
Рис.1. Влияние микрокремнезема на прочность при сжатии гисововяжущего.
6
0 10 15 20 25 30
Содержание микрокремнезема,%
Рис.2. Влияние микрокремнезема на прочность при изгибе гисововяжущего.
Дальнейшее увеличение содержания микрокремнезема в системе нецелесообразно, так как происходит снижение прочностных свойств, что может быть объяснено перенасыщением системы твердой фазы и недостатком дисперсионной среды участвующей в процессе гидратации.
На основе полученных данных были разработаны составы с оптимальным содержанием микрокремнезема. При анализе основных экспериментальных характеристик можно утверждать, что введение микрокремнезема повышает прочностные свойства, оказывает пластифицирующий эффект, при этом
14
увеличивается время твердения и незначительно повышается плотность композиции,
по сравнению с контрольным составом. Установлено что оптимальное содержание
микрокремнезема в системе составляет 16-18%.
Список литературы
1. Eurostat, (2017). Statistical office of the European Union Situated in Luxembourg (statistic on Municipal waste statistics in Europe checked in 2017).
2. Г.И. Бердов, Л.В. Ильина, В.Н. Зырянова, Н.И. Никоненко, В.А. Сухаренко. Влияние минеральных микронаполнителей на свойства строительных материалов. Строительные материалы, 2012, №9 - С. 79-83.
3. James Beaudoin, Ivan Odler. Hydration, Setting and Hardening of Portland Cement in Lea's Chemistry of Cement and Concrete (Fifth Edition), 2019. p. 87-254.
4. Gunvor Kirkelund, Lorena Skevi, Lisbeth Ottosen. Electrodialytically treated MSWI fly ash use in clay bricks.Construction and Building Materials,Volume 254, 10 September
2020, 119286.
5. Pravez Alama, Sanjeev Kumara, Davinder Singha Incinerated municipal solid waste bottom ash bricks: a sustainable and cost-efficient building material. GC-RASM 2021.
6. Krause F., Renner B., Coppens F., Dewanckele J., Schwotzer M. Reactivity of Gypsum-Based Materials Subjected to Thermal Load: Investigation of Reaction Mechanisms. Materials. 2020 - 13(6) - p. 1427.
7. Baidzhanov D.O., Nuguzhinov Zh.S., Fedorchenko V.I., Kropachev P.A., Divak L.A., Rakhimov A.M. Thermal Insulation Material Based on Local Technogenic Raw Material // Glass and Ceramics. - 2017. - Vol. 73, Iss. 11-12. - P. 427-430.
8. Jabbarova, N.E., AbdullayevaM.Y. AsadovaI.B. Properties of concrete with the addition of ash resideins from the processing of house hold waste. International Journal of Professional Science (IJPS), № 5, 2023, p 80-90.
9. Jabbarova N., Abdullayeva M., Asadova I. Use of bottom ash in the production of ceramic brick. E3S Web of Conferences, 2023, 419, 01023.
10. Olga Kizinievic, Violeta Voisniené, Viktor Kizinievic, Ina Pundiené. Impact of municipal solid waste incineration bottom ash on the properties and frost resistance of clay bricks. Received: 22 March 2021. Published online: 27 October 2021 Springer Japan KK, part of Springer Nature 2021.
11. Juan María Terrones-Saeta, Jorge Suárez-Macías, Francisco Javier Iglesias-Godino and Francisco Antonio Corpas-Iglesias. Development of Geopolymers as Substitutes for Traditional Ceramics for Bricks with Chamotte and Biomass Bottom Ash. Materials
2021, 14, P. 199.
12. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://report.az/daxili-siyaset/sumqayit-kimya-senaye-parkinda-elvan-metallar-ve-ferroerintiler-zavodunun-acilisi-olub.
13. ГОСТ 23789-79. Вяжущие гипсовые. Методы испытаний. - Введ. 01.07.1980. -М.: Изд-во стандартов, 1980. - 16 с.
