БЕТОНОМАНИЯ
Наука и исследования
БЕТОНОМАНИЯ
Дата размещения: 21.12.2025
Роль кавитационно активированного перлита в составе фосфогипсовых смесей для строительной 3D-печати
Аннотация:
Исследование посвящено применению кавитационно активированного перлита для модификации гипсового вяжущего на основе фосфогипса - отхода производства удобрений. Гидродинамическая обработка увеличила удельную поверхность перлита с 180 до 15034 см²/г. Эксперименты показали, что замена до 15% гипса активированным перлитом не снижает прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, демонстрируя эффективное взаимодействие компонентов. Выявленный загущающий эффект от добавки ухудшает удобоукладываемость смеси, что требует введения суперпластификаторов. Результаты подтверждают перспективность использования активированного перлита для создания композитных вяжущих, в том числе для строительной 3D-печати.
Удодов Сергей Алексеевич
канд. техн. наук, доцент
Производство фосфорных удобрений сопряжено с получением значительного количества побочного продукта – фосфогипса. В подавляющем большинстве случаев этот отход не перерабатывается вторично и складируется во открытых отвалах, занимая территории и ухудшая экологическую обстановку в районе производства.
Одним из перспективных способов использование побочного фосфогипса – переработка его в воздушное гипсовое вяжущее. К настоящему моменту имеется обширный накопленный опыт получения из фосфогипса строительного гипса, пригодного для изготовления строительных материа-лов и изделий [1-5]. Вместе с тем, вопрос повышения прочностных характеристик получаемых вяжущих по прежнему актуален.
Ранее авторами было показано положительное влияние на прочность вяжущего из побочного фосфогипса введение в состав гипса кремнеземсодержащих наполнителей [6]. Известно, что реакционная способность кремнеземсодержащих компонентов значительно возрастает с увеличением их удельной поверхности, аморфизации и активации поверхности. При этом кварцсодержащие минеральные компоненты обладают повышенной твердостью, абразивной устойчивостью, ресурсо- и энергоемкостью при измельчении. В этом смысле перспективными представляются методы активации в водной среде, при которых на материал оказывается сразу несколько воздействий: механическое, гидродинамическое, кавитационное.
Вопросу активации различных компонентов бетона, в том числе, благодаря кавитационным явлениям, возникающим во время гидродинамической обработки посвящено немало исследований [7-9]. Для измельчения вспученного перлита был применен гидродинамический диспергатор, совмещающий в себе все указанные выше виды воздействий (рис.1). Вспученный перлит был выбран исходя из его минералогического состава (до 75% диоксида кремния) и также высокопористой структуры, способной эффективно разрушаться в активаторе.
Диспергация перлита проводилась в виде водной суспензии с массовым соотношением перлита к воде как 1:10. Врема активации – 4 минуты, средняя скорость вращения ротора – 30 об/сек. Удельная поверхность и средний размер частиц перлита до и после активации, представлен в таблице 1.
В результате кратковременного гидродинамического кавитационного воздействия средний размер частиц перлита уменьшился, а удельная площадь поверхности возросла на два порядка.
Полученный активированный перлит в сухом виде добавлялся к гипсу α-модификации, полученному из фосфогипса автоклавным способом. Из полученного смешанного вяжущего, в котором гипс был замещен 5, 10 и 15% (по массе) активированным перлитом. Водовяжущее отношение (В/Вяж) принималось постоянным и равным 0,7. Изменение подвижности оценивалось с помощью стандартного цилиндра Суттарда по изменению диаметра расплыва теста. Влияние активированного перлита на прочность смешанного вяжущего при сжатии оценивалось в возрасте 7 суток. Такой возраст образцов был принят исходя из необходимости проявления структурообразующих свойств активированного перлита. Влажность образцов при испытании 8-9% по массе. Результаты испытаний представлены графически на рисунке 2.
Из полученных данных следует, что замена части вяжущего на активированный перлит вплоть до 15% включительно фактически не приводит к изменению прочностных характеристик в возрасте смешанного вяжущего 7 суток при неизменном значении В/Вяж. Это свидетельствует о наличии положительного физико-химического взаимодействия между гипсовой и перлитовой фазами в процессе структурообразования искусственного камня. Потенциально, долю активированного перлита, по-видимому, можно увеличивать без существенного ущерба для прочностных характеристик.
Вместе с тем, ввиду развитой поверхности активированного перлита, его введение в состав смешанного вяжущего влечет резкое снижение подвижности смеси, ухудшая ее технологические свойства. Этот негативный эффект может быть существенно снижен за счет использования сильных суперпластификаторов.
Выводы:
1. Использование явления гидродинамической кавитации при обработки материала в водной среде роторно-пульсационного аппарата позволяет эффективно измельчить вспученный перлит, увеличивая его удельную поверхность на два порядка.
2. Активированный перелит может быть рекомендован как активная минеральная добавка к α-модификации гипсового вяжущего, полученного из побочного фосфогипса. В составе смешанного вяжущего активированный перлит не снижает 7-суточную прочность при замене вяжущего до 15%.
3. Загущающий эффект от введения активированного перлита может объясняться повышенной водопотребностью за счет развитой поверхности частиц, а также за счет проявления повышенного тикстропного загустевания ввиду пластинчатого характера его частиц.
1. Использование явления гидродинамической кавитации при обработки материала в водной среде роторно-пульсационного аппарата позволяет эффективно измельчить вспученный перлит, увеличивая его удельную поверхность на два порядка.
2. Активированный перелит может быть рекомендован как активная минеральная добавка к α-модификации гипсового вяжущего, полученного из побочного фосфогипса. В составе смешанного вяжущего активированный перлит не снижает 7-суточную прочность при замене вяжущего до 15%.
3. Загущающий эффект от введения активированного перлита может объясняться повышенной водопотребностью за счет развитой поверхности частиц, а также за счет проявления повышенного тикстропного загустевания ввиду пластинчатого характера его частиц.
Литературные источники:
1. Золотухин С.Н., Кукина О.Б., Абраменко А.А. Эффективные безобжиговые строительные материалы на основе фосфогипса // Современное строительство и архитектура № 4 (08) – год 2017. С. 8-14.
2. Сагындыков А.А., Нурлыбаев Б.А., Карабаев Н.Т., Медетов А.К. Ангидритовые вяжущие из фосфогипса и доломита / Механика и технологии. – 2022. - №1(75). - С. 71-77.
3. Bumanis G., Zorica J., Bajare D., Korjacins A. Technological properties of phosphogypsum binder obtained from fertilizer production waste // Energy Procedia 147 (2018), p. 301–308
4. Garg M., Singh M., Kumar R. Some aspects of the durability of a phosphogypsum-lime-fly ash binder // Construction and Building Materials, No. 4. – 1996. - с. 274-279
5. Dvorkin L., Lushnikova N., Sonebi M. Application areas of phosphogypsum in production of mineral binders and composites based on them: a review of research results // MATEC Web of Conferences 149, 01012 (2018), https://doi.org/10.1051/matecconf/201814901012
6. С. А. Удодов, А. Ф. Маштаков, Д. В. Шиян, Г. В. Самандасюк Влияние кремнеземистых и кальциевых минеральных порошков на прочность и водопотребность гипсового вяжущего на основе фосфогипса // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). – 2023. – № 4. – С. 130-133.
7. Гусев, Б. В. Исследование эффективности использования кавитационной технологии для измельчения минеральных добавок / Б. В. Гусев, И. Г. Джагарян, Д. И. Оленич // Инновации и инвестиции. – 2019. – № 4. – С. 297-300.
8. Гусев, Б. В. Свойства бетона с использованием поликарбоксилатных добавок при кавитационной обработке / Б. В. Гусев, Д. И. Оленич, И. Г. Джагарян // Инновации и инвестиции. – 2019. – № 3. – С. 239-242.
9. Гусев, Б. В. Наноструктурирование бетонных материалов с применением кавитационных технологий / Б. В. Гусев // ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии : тезисы докладов в пяти томах, Екатеринбург, 26–30 сентября 2016 года / Уральское отделение Российской академии наук. Том 2а. – Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2016. – С. 265.
1. Золотухин С.Н., Кукина О.Б., Абраменко А.А. Эффективные безобжиговые строительные материалы на основе фосфогипса // Современное строительство и архитектура № 4 (08) – год 2017. С. 8-14.
2. Сагындыков А.А., Нурлыбаев Б.А., Карабаев Н.Т., Медетов А.К. Ангидритовые вяжущие из фосфогипса и доломита / Механика и технологии. – 2022. - №1(75). - С. 71-77.
3. Bumanis G., Zorica J., Bajare D., Korjacins A. Technological properties of phosphogypsum binder obtained from fertilizer production waste // Energy Procedia 147 (2018), p. 301–308
4. Garg M., Singh M., Kumar R. Some aspects of the durability of a phosphogypsum-lime-fly ash binder // Construction and Building Materials, No. 4. – 1996. - с. 274-279
5. Dvorkin L., Lushnikova N., Sonebi M. Application areas of phosphogypsum in production of mineral binders and composites based on them: a review of research results // MATEC Web of Conferences 149, 01012 (2018), https://doi.org/10.1051/matecconf/201814901012
6. С. А. Удодов, А. Ф. Маштаков, Д. В. Шиян, Г. В. Самандасюк Влияние кремнеземистых и кальциевых минеральных порошков на прочность и водопотребность гипсового вяжущего на основе фосфогипса // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). – 2023. – № 4. – С. 130-133.
7. Гусев, Б. В. Исследование эффективности использования кавитационной технологии для измельчения минеральных добавок / Б. В. Гусев, И. Г. Джагарян, Д. И. Оленич // Инновации и инвестиции. – 2019. – № 4. – С. 297-300.
8. Гусев, Б. В. Свойства бетона с использованием поликарбоксилатных добавок при кавитационной обработке / Б. В. Гусев, Д. И. Оленич, И. Г. Джагарян // Инновации и инвестиции. – 2019. – № 3. – С. 239-242.
9. Гусев, Б. В. Наноструктурирование бетонных материалов с применением кавитационных технологий / Б. В. Гусев // ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии : тезисы докладов в пяти томах, Екатеринбург, 26–30 сентября 2016 года / Уральское отделение Российской академии наук. Том 2а. – Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2016. – С. 265.
Связаться с автором: udodov-tec@mail.ru
