mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.8.1301-1316mgssuvest-338Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringРазработка вяжущего вещества на основе фосфогипса, твердеющего по смешанному типуDevelopment of binder based on phosphogypsum hardening by mixed typehttps://orcid.org/0000-0002-5241-0074БахтинаТ. А.BakhtinaT. А.

Тамара Алексеевна Бахтина — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения, Институт «Академия строительства и архитектуры»

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

РИНЦ AuthorID: 840822, Scopus: 57202813160, ResearcherID: N-8860-2016

Tamara А. Bakhtina — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Construction Engineering and Materials Science, Academy of Construction and Architecture

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

RSCI AuthorID: 840822, Scopus: 57202813160, ResearcherID: N-8860-2016

t.bakhtina83@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6298-5077ЛюбомирскийН. В.LyubomirskiyN. V.

Николай Владимирович Любомирский — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительного инжиниринга и материаловедения, Институт «Академия строительства и архитектуры»

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

РИНЦ AuthorID: 779436, Scopus: 57202812296, ResearcherID: Y-4548-2019

Nikolay V. Lyubomirskiy — Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Construction Engineering and Materials Science, Academy of Construction and Architecture

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

RSCI AuthorID: 779436, Scopus: 57202812296, ResearcherID: Y-4548-2019

niklub.ua@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6255-8948БахтинА. С.BakhtinA. S.

Александр Сергеевич Бахтин — кандидат технических наук, доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения, Институт «Академия строительства и архитектуры»

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

РИНЦ AuthorID: 846523, Scopus: 57191596769, ResearcherID: N-9489-2016

Aleksandr S. Bakhtin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Construction Engineering and Materials Science, Academy of Construction and Architecture

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

RSCI AuthorID: 846523, Scopus: 57191596769, ResearcherID: N-9489-2016

aleserba@mail.ruБиленкоГ. Р.BilenkoG. R.

Герман Русланович Биленко — аспирант кафедры строительного инжиниринга и материаловедения, Институт «Академия строительства и архитектуры»

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

РИНЦ AuthorID: 1099392

German R. Bilenko — postgraduate student of the Department of Construction Engineering and Materials Science, Academy of Construction and Architecture

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

RSCI AuthorID: 1099392

ger-bilenko@yandex.ruТюнюковИ. А.TyunyukovI. A.

Иван Анатольевич Тюнюков — аспирант кафедры строительного инжиниринга и материаловедения, Институт «Академия строительства и архитектуры»

295000, г. Симферополь, ул. Киевская, д. 181

Ivan A. Tyunyukov — postgraduate student of the Department of Construction Engineering and Materials Science, Academy of Construction and Architecture

181 Kiyevskaya st., Simferopol, 295000

utyunyukovv@mail.ruКрымский федеральный университет имени В.И. Вернадского (КФУ им. В.И. Вернадского)РоссияV.I. Vernadsky Crimean Federal UniversityRussian FederationКрымский федеральный университет имени В.И. Вернадского (КФУ им. В.И. Вернадского)РоссияV.I. Vernadsky Crimean Federal UniversityRussian Federation20243008202419813011316Copyright © Бахтина Т.А., Любомирский Н.В., Бахтин А.С., Биленко Г.Р., Тюнюков И.А., 20242024Бахтина Т.А., Любомирский Н.В., Бахтин А.С., Биленко Г.Р., Тюнюков И.А.Bakhtina T.А., Lyubomirskiy N.V., Bakhtin A.S., Bilenko G.R., Tyunyukov I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/338Введение

Введение. Создание безотходных технологий производства малоэнергоемких строительных материалов и изделий с вовлечением в повторную переработку вторичных сырьевых ресурсов является одним из приоритетных направлений развития экономики большинства стран. В связи с этим актуальной является задача разработки конкурентоспособных вяжущих веществ на основе фосфогипса (ФГ) с добавлением гидратной извести путем проектирования рациональных составов фосфогипсо-известковых композиций, твердеющих по смешанному типу.

Материалы и методы

Материалы и методы. В качестве вторичного сульфатсодержащего сырья использовали отвальный ФГ предприятия ООО «Титановые инвестиции», г. Армянск. Гидратную известь для исследований получали путем гашения комовой извести, производимой в шахтных печах известкового цеха АО «Крымский содовый завод», г. Красноперекопск. Анализ минералогического состава ФГ и искусственного камня на его основе проводили с помощью синхронного TG-DTA/DSC термического анализа на анализаторе STA 8000 (Perkin Elmer). Дисперсный состав ФГ и гидратной извести устанавливали методом лазерной дифракции на лазерном анализаторе размеров частиц Partica LA-960 (Horiba). Определение механических характеристик опытных образцов выполняли на базе консоли управления МСС8 (Controls).

Результаты

Результаты. Результаты разработки составов на основе фосфогипсо-известковых композиций показали, что после принудительной карбонизации данных составов в течение 180 мин в воздушно-газовой среде с 50 %-ной концентрацией СО2 можно получить водостойкий каменный материал (Kр 0,78–0,8) с прочностью при сжатии 28–32 МПа, средней плотностью 1750–1780 кг/м3 и водопоглощением по массе и объему 11–15 и 19–26 % соответственно.

Выводы

Выводы. Вероятно, дополнительная оптимизация условий получения образцов (давление прессования, водосодержание смеси, введение заполнителя), режима принудительного карбонатного твердения (время твердения, концентрация СО2) позволит еще повысить исследуемые свойства получаемого каменного материала. Полученные экспериментальные данные позволяют предположить, что на основе предлагаемого вяжущего возможно производство определенной номенклатуры мелкоштучных стеновых изделий с учетом проведения дополнительных научных исследований в этой области.

Introduction

Introduction. Creation of waste-free technologies for production of low-energy building materials and products involving recycling of secondary raw materials is one of the priority areas of economic development in most countries. In this regard, the urgent task is to develop competitive binders based on phosphogypsum with the addition of hydrated lime by designing rational compositions of phosphogypsum-lime compositions hardening by mixed type.

Materials and methods

Materials and methods. Waste phosphogypsum from Titanium Investments LLC, Armyansk, was used as a secondary sulfate-containing raw material. Hydrated lime for research was obtained by slaking lump lime produced in shaft furnaces of the lime workshop of Crimean Soda Plant JSC, Krasnoperekopsk. Analysis of the mineralogical composition of phosphogypsum and artificial stone based on it was carried out using synchronous TG-DTA/DSC thermal analysis on an STA 8000 analyzer (Perkin Elmer). The dispersed composition of phosphogypsum and hydrated lime was determined by laser diffraction using a Partica LA-960 laser particle size analyzer (Horiba). The determination of the mechanical characteristics of the prototypes was carried out on the basis of the MCC8 control console (Controls).

Results

Results. The results of the development of compositions based on phosphogypsum-lime compositions showed that after forced carbonization of these compositions for 180 minutes in an air-gas environment with a 50 % CO2 concentration, it is possible to obtain a water-resistant stone material (Kr 0.78–0.8) with strength at compression 28–32 MPa, average density 1,750–1,780 kg/m3 and water absorption by mass and volume of 11–15 and 19–26 %, respectively.

Conclusions

Conclusions. Probably, additional optimization of the conditions of obtaining samples (pressure, water content of the mixture, introduction of filler), the regime of forced carbonate hardening (hardening time, CO2 concentration) will further improve the studied properties of the resulting stone material. The obtained experimental data suggest that, based on the proposed binder, it is possible to produce a certain range of small-piece wall products, taking into account additional scientific research in this area.

фосфогипсгидратная известьпринудительная карбонизациясмешанное твердениепрочностьводостойкостьphosphogypsumhydrated limeforced carbonizationmixed hardeningstrengthwater resistanceReferencesMurali G., Azab M. Recent research in utilization of phosphogypsum as building materials : review // Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 25. Pp. 960–987. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.05.272Murali G., Azab M. Recent research in utilization of phosphogypsum as building materials: Review. Journal of Materials Research and Technology. 2023; 25:960-987. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.05.272Calderón-Morales B.R.S., García-Martínez A., Pineda P., García-Tenório R. Valorization of phosphogypsum in cement-based materials: limits and potential in eco-efficient construction // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 44. P. 102506. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.102506Calderón-Morales B.R.S., García-Martínez A., Pineda P., García-Tenório R. Valorization of phosphogypsum in cement-based materials: limits and potential in eco-efficient construction. Journal of Building Engineering. 2021; 44:102506. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.102506Rashad A.M. Phosphogypsum as a construction material // Journal of Cleaner Production. 2017. Vol. 166. Pp. 732–743. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.08.049Rashad A.M. Phosphogypsum as a construction material. Journal of Cleaner Production. 2017; 166:732-743. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.08.049Wei Z.Q., Zhang Q., Li X.B. Crystallization kinetics of α-hemihydrate gypsum prepared by hydrothermal method in atmospheric salt solution medium // Crystals. 2021. Vol. 11. Issue 8. P. 843. DOI: 10.3390/cryst11080843Wei Z.Q., Zhang Q., Li X.B. Crystallization kinetics of α-hemihydrate gypsum prepared by hydrothermal method in atmospheric salt solution medium. Crystals. 2021; 11(8):843. DOI: 10.3390/cryst1108-0843Мещеряков Ю.Г., Федоров С.В. Комплексная промышленная переработка хибинского апатитового концентрата // Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий : мат. IX Междунар. науч.-практ. конф. 2018. С. 124–127.Meshcheryakov Yu.G., Fedorov S.V. Complex industrial processing of Khibiny apatite concentrate. Increasing the efficiency of production and use of gypsum materials and products : materials of the IX international scientific and practical conference. 2018; 124-127. (rus.).Yang L., Zhang Y., Yan Y. Utilization of original phosphogypsum as raw material for the preparation of self-leveling mortar // Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 127. Pp. 204–213. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.04.054Yang L., Zhang Y., Yan Y. Utilization of original phosphogypsum as raw material for the preparation of self-leveling mortar. Journal of Cleaner Production. 2016; 127:204-213. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.04.054Wei Z., Deng Z. Research hotspots and trends of comprehensive utilization of phosphogypsum: Bibliometric analysis // Journal of Environmental Radioactivity. 2022. Vol. 242. P. 106778. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2021.106778Wei Z., Deng Z. Research hotspots and trends of comprehensive utilization of phosphogypsum: Bibliometric analysis. Journal of Environmental Radioactivity. 2022; 242:106778. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2021.106778Macías F., Cánovas C.R., Cruz-Hernández P., Carrero S., Asta M.P., Nieto J.M. et al. An anomalous metal-rich phosphogypsum: Characterization and classification according to international regulations // Journal of Hazardous Materials. 2017. Vol. 331. Pp. 99–108. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.02.015Macías F., Cánovas C.R., Cruz-Hernández P., Carrero S., Asta M.P., Nieto J.M. et al. An anomalous metal-rich phosphogypsum: Characterization and classification according to international regulations. Journal of Hazardous Materials. 2017; 331:99-108. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2017.02.015Tian T., Yan Y., Hu Z., Xu Y., Chen Y., Shi J. Utilization of original phosphogypsum for the preparation of foam concrete // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 115. Pp. 143–152. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.028Tian T., Yan Y., Hu Z., Xu Y., Chen Y., Shi J. Utilization of original phosphogypsum for the preparation of foam concrete. Construction and Building Materials. 2016; 115:143-152. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.028Li B., Li L., Chen X., Ma Y., Zhou M. Modification of phosphogypsum using circulating fluidized bed fly ash and carbide slag for use as cement retarder // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 338. P. 127630. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127630Li B., Li L., Chen X., Ma Y., Zhou M. Modification of phosphogypsum using circulating fluidized bed fly ash and carbide slag for use as cement retarder. Construction and Building Materials. 2022; 338:127630. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127630Ильин А.П., Кочетков С.П., Брыль С.В., Рухлин Г.В. Проблемы и перспективы использования вторичных продуктов переработки природных фосфатов для получения строительных материалов // Экология и строительство. 2016. № 4. С. 21–29. EDN ZHLAPL.Ilin A.P., Kochetkov S.P., Bryl S.V., Rukhlin G.V. Problems and prospects of usage of secondary products of processing of natural phosphates for construction materials. Ecology and Construction. 2016; 4:21-29. EDN ZHLAPL. (rus.).Liu S., Fang P., Ren J., Li S. Application of lime neutralised phosphogypsum in supersulfated cement // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 272. P. 122660. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.122660Liu S., Fang P., Ren J., Li S. Application of lime neutralised phosphogypsum in supersulfated cement. Journal of Cleaner Production. 2020; 272:122660. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.122660Singh M. Treating waste phosphogypsum for cement and plaster manufacture // Cement and Concrete Research. 2002. Vol. 32. Issue 7. Pp. 1033–1038. DOI: 10.1016/S0008-8846(02)00723-8Singh M. Treating waste phosphogypsum for cement and plaster manufacture. Cement and Concrete Research. 2002; 32(7):1033-1038. DOI: 10.1016/S0008-8846(02)00723-8Zhou J., Li X., Zhao Y., Shu Z., Wang Y., Zhang Y. et al. Preparation of paper-free and fiber-free plasterboard with high strength using phosphogypsum // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 243. P. 118091. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118091Zhou J., Li X., Zhao Y., Shu Z., Wang Y., Zhang Y. et al. Preparation of paper-free and fiber-free plasterboard with high strength using phosphogypsum. Construction and Building Materials. 2020; 243:118091. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118091Valančius Z., Vaickelionienė R., Vaickelionis G., Makčinskas P. Use of an industrial by-product phosphogypsum in the production of white textured paints // Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 380. P. 134888. DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.134888Valančius Z., Vaickelionienė R., Vaickelionis G., Makčinskas P. Use of an industrial by-product phosphogypsum in the production of white textured paints. Journal of Cleaner Production. 2022; 380:134888. DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.134888Кочетков А.В., Янковский Л.В. Применение фосфогипса для строительства монолитных слоев дорожной одежды // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2017. № 4. С. 91–102. DOI: 10.15593/24111678/2017.04.07. EDN YLBFDU.Kochetkov A.V., Yankovsky L.V. Application of phosphogypsum for the construction of indistinguishable layersof road pavement. Transport. Transport facilities. Ecology. 2017; 4:91-102. DOI: 10.15593/24111678/2017.04.07. EDN YLBFDU. (rus.).Яшин С.О., Борисенко Ю.Г. Свойства битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом // Строительные материалы. 2011. № 1. С. 14–15. EDN NQTZXN.Yashin S.O., Borisenko Yu.G. Properties of bitumen-mineral compositions modified with phosphogypsum. Materials for Road Construction. 2011; 1:14-15. EDN NQTZXN. (rus.).Zhang H., Wencui C., Yijun C. Flotation separation of quartz from gypsum using benzyl quaternary ammonium salt as collector // Applied Surface Science. 2022. Vol. 576. P. 151834. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.151834Zhang H., Wencui C., Yijun C. Flotation separation of quartz from gypsum using benzyl quaternary ammonium salt as collector. Applied Surface Science. 2022; 576:151834. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.151834Губская А.Г., Осипенко В.В. Влияние искусственного гипсового камня на основе фосфополугидрата ОАО «Гомельский химический завод» на свойства цемента // Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий : мат. IX Междунар. науч.-практ. конф. 2018. С. 64–68.Gubskaya A.G., Osipenko V.V. The influence of artificial gypsum stone based on phosphohemihydrate OJSC “Gomel Chemical Plant” on the properties of cement. Increasing the efficiency of production and use of gypsum materials and products : materials of the IX international scientific and practical conference. 2018; 64-68. (rus.).Muthukumar P., Shewale M., Asalkar S., Shinde N., Korke P., Anitha M. et al. Experimental stu-dy on light weight panel using phosphogypsum // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 49. Pp. 1852–1856. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.08.056Muthukumar P., Shewale M., Asalkar S., Shinde N., Korke P., Anitha M. et al. Experimental study on light weight panel using phosphogypsum. Materials Today: Proceedings. 2022; 49:1852-1856. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.08.056Ajam L., Ouezdou M.B., Felfoul H.S., Mensi R.E. Characterization of the Tunisian phosphogypsum and its valorization in clay bricks // Construction and Building Materials. 2009. Vol. 23. Issue 10. Pp. 3240–3247. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2009.05.009Ajam L., Ouezdou M.B., Felfoul H.S., Mensi R.E. Characterization of the Tunisian phosphogypsum and its valorization in clay bricks. Construction and Building Materials. 2009; 23(10):3240-3247. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2009.05.009Zhou J., Gao H., Shu Zh., Wang Y., Yan Ch. Utilization of waste phosphogypsum to prepare non-fired bricks by a novel Hydration–Recrystallization process // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 34. Pp. 114–119. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.02.045Zhou J., Gao H., Shu Zh., Wang Y., Yan Ch. Utilization of waste phosphogypsum to prepare non-fired bricks by a novel Hydration–Recrystallization process. Construction and Building Materials. 2012; 34:114-119. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.02.045Zhou J., Sheng Z., Li T., Shu Zh., Chen Y., Wang Y. Preparation of hardened tiles from waste pho-sphogypsum by a new intermittent pressing hydration // Cera-mics International. 2016. Vol. 42. Issue 6. Pp. 7237–7245. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.01.117Zhou J., Sheng Z., Li T., Shu Zh., Chen Y., Wang Y. Preparation of hardened tiles from waste phosphogypsum by a new intermittent pressing hydration. Ceramics International. 2016; 42(6):7237-7245. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.01.117Абраменко А.А. Разработка безобжиговой технологии переработки фосфогипса с учетом раннего прогнозирования свойств композита // Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий : мат. IX Междунар. науч.-практ. конф. 2018. С. 7–17.Abramenko A.A. Development of non-firing technology for processing phosphogypsum, taking into account early prediction of the properties of the composite. Increasing the efficiency of production and use of gypsum materials and products : materials of the IX International scientific and practical conference. 2018; 7-17. (rus.).Lyubomirskiy N., Bakhtin A., Fic S., Szafra-niec M., Bakhtinа T. Intensive ways of producing carbonate curing building materials based on lime secondary raw materials // Materials. 2020. Vol. 13. Issue 10. P. 2304. DOI: 10.3390/ma13102304Lyubomirskiy N., Bakhtin A., Fic S., Szafraniec M., Bakhtinа T. Intensive ways of producing carbonate curing building materials based on lime secondary raw materials. Materials. 2020; 13(10):2304. DOI: 10.3390/ma13102304

The authors declare that there are no conflicts of interest present.