Разработка вяжущего вещества на основе фосфогипса, твердеющего по смешанному типу

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. 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 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. 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.

1. Murali 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.2023.05.272

2. Calderón-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.2021.102506

3. Rashad A.M. Phosphogypsum as a construction material // Journal of Cleaner Production. 2017. Vol. 166. Pp. 732–743. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.08.049

4. Wei 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/cryst11080843

5. Мещеряков 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.

6. 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.2016.04.054

7. Wei 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.2021.106778

8. Macías 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.2017.02.015

9. Tian 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.2016.04.028

10. Li 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.2022.127630

11. Ильин 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.

12. 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.2020.122660

13. Singh 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)00723-8

14. Zhou 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.2020.118091

15. Valančius 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.2022.134888

16. Кочетков 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.

17. Яшин С.О., Борисенко Ю.Г. Свойства битумоминеральных композиций, модифицированных фосфогипсом // Строительные материалы. 2011. № 1. С. 14–15. EDN NQTZXN.

18. 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.2021.151834

19. Губская 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.

20. 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.2021.08.056

21. Ajam 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.2009.05.009

22. Zhou 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.2012.02.045

23. Zhou 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.2016.01.117

24. Абраменко 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.

25. 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/ma13102304