Использование термоактивированного дефеката в получении наноструктурированных гипсовых композиционных материалов

Проведена оценка влияния условий активации дефеката - термической и электромагнитной в условиях СВЧ-поля на морфологию гидратных новообразований, структуру и физико-механические свойства гипсовых композитов с его использованием. Показано, что введение активированного дефеката в количестве 5% взамен гипса увеличивает прочностные свойства композитов. Оптимальные режимы активации: термической - 250 ºС, термоудар, электромагнитной - СВЧ-излучением мощностью 450 Вт, длительностью 10 мин. При этом формируется мелкокристаллическая высокоплотная структура композита и увеличивается прочность на сжатие в 2,3 и 2,0 раза, соответственно, по сравнению с образцами на чистом гипсе.

Целью исследования является разработка нового способа утилизации дефеката как нанодиспергированного техногенного наполнителя в производстве гипсовых композиционных материалов. Для достижения поставленной цели решались задачи: изучение основных свойств дефеката, оценка влияния различных методов активации дефеката на структуру и основные свойства гипсовых композиционных материалов.

Шламы станций обезвреживания промышленных сточных вод обладают высокой влажностью,  непостоянством химического и минерального составов, являются неутилизируемыми. К ним относится и дефекат – карбонатсодержащий отход сахарного производства, образуется на стадии очистки сахарного сиропа.

Большая часть дефеката используется в сельском хозяйстве как удобрение.Но наличие кислотных соединений приводит к образованию серой гнили сельхозпродукции. Дефекат рекомендуется к использованию в производстве строительных материалов, термообработанный - эффективен как адсорбент для очистки сточных вод. Но отход продолжает накапливаться на шламохранилищах. Поэтому разработка новых направлений его утилизации остается актуальной задачей.

 

Активацию дефеката проводили:

- в СВЧ-поле мощностью 300, 450 и 700 Вт в течение от 5 до 30 мин., масса материала 50 г.;

- термообработкой при температурах 200, 250 и 300°С в течение 1 час, мягким нагревом и термоударом.

Определяли: рН водных вытяжек из дефеката, содержание свободного СаО методом титрования, минералогический состав рентгенофазовым и дифференциально-термическим анализами, структура гипсовых композитов определяли посредством микроскопических исследований.

Композиты на основе гипсового вяжущего готовили в виде образцов-балочек литьевым способом. Дефекат исходный и обработанный вводили в состав сырьевой смеси в количестве 5 и 10% взамен гипсового вяжущего.

Контролировали параметры: растекаемость гипсового теста, водо-гипсовое отношение, плотность, прочность на сжатие и при изгибе, структуру готовых композитов.

Цель исследований - разработка способа утилизации дефеката как нанодиспергированного техногенного наполнителя в составе гипсовых композиционных материалов. Для достижения поставленной цели решались задачи: изучение основных свойств дефеката, оценка влияния различных методов активации дефеката на структуру и основные свойства гипсовых композиционных материалов.

Решение поставленных задач позволит утилизировать дефекат, снизить объемы его хранения, расширить сырьевую базу и номенклатуру строительных материалов и улучшить экологическую ситуацию в регионах.

Дефекат – сильно обводненный шламовый отход, основной минерал - кальцит до 95 %. Обладает высокоразвитой поверхностью частиц, что обусловлено химической предисторией его образования и позволяет рассматривать его как наноструктурированный техногенный материал.

Определяющим фактором синтеза строительных материалов с высокими эксплуатационными свойствами является прочность адгезионных контактов на микро- и макроуровне, определяемая физико-химическим взаимодействием между вяжущим и наполнителем на границе раздела фаз, которое происходит на всех стадиях формирования композитов. Основную роль в этих процессах играют структурные дефекты поверхности частиц, определяющие ее химическую и энергетическую неоднородность и выступающие в качестве активных центров в химических реакциях. Они и определяют реакционную способность материалов-наполнителей, участвуют в контактообразовании с вяжущими веществами и структурообразовании всего композита. Регулируя взаимодействие в контактной зоне, можно целенаправленно управлять процессами синтеза композитов и прогнозировать их свойства.

В работе рассматривается влияние термического и электромагнитного активирования частиц дефеката на структуру и основные свойства гипсовых композитов с его использованием.

Согласно микроскопическим исследованиям, оптимальный режим термоактивации – 250 ºС, термоудар, что способствует формированию высокоплотной структуры из частиц гипса пластинчатой и призматической форм, с повышенной площадью контактных зон, что обеспечивает увеличение прочности на сжатие композитов в 2,3 раза выше по сравнению с опытами на чистом гипсе.

При температуре 300ºС образуются преимущественно игольчатые формы гипса с низким числом контактов, выполняющих микроармирующую роль, обеспечивая увеличение прочности при изгибе материала.

Использование дефеката, активированного в СВЧ-поле мощностью 450 Вт, длительностью 10 мин, позволяет повысить прочность композитов в 2 и 1,4 раза по сравнению с чистым гипсом и с использованием необработанного дефеката, соответственно.

Реализация предложенных рекомендаций в условиях участка по производству строительных композитов позволит утилизировать до 5 тыс. т дефеката в год (при его содержании в сырьевой смеси 10 %) и получить экономический эффект до 1,5 млн. рублей в год.

 

1. Тарасова Г.И., Павлова М.В. Исследование возможности использования термолизного дефеката в качестве наполнителя в силикатные краски // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 8. С. 26-28.
2. Бобрышев А.Н., Козомазов В.Н., Авдеев Р.И., Соломатов В.И. Синергетика дисперсно-наполненных композитов. М.: ЦКТ, 1999. 252 с.
3. Ельников Д.А., Свергузова Ж.А., Свергузова С.В. Влияние температуры обработки дефеката на эффективность очистки модельных растворов от красителей // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. № 2. С.144-147.
4. Лупандина Н.С., Сапронова Ж.А. Использование отходов производства сахара в водоочистке: монография. – Белгород: Изд-во БГТУ. 2015. – 120 с.
5. Тарасова Г.И. Перспективные способы очистки побочных продуктов и утилизации отходов сахарного производства: монография. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. – 150 с.

There were carried out the researches on influence estimate of activation defecate conditions such as thermal and electromagnetic ones in the microwave field on the morphology of neoplasms hydrate, the structure and the basic physical and mechanical properties of gypsum composite materials with its use. It has been shown that addition of activated defecate in the amount of 5% instead of gypsum astringent allows to increase the strength properties of the composites. The most preferred activation modes are as follows: the thermal of 250 °C, thermal shock and electromagnetic microwave radiation of 450 W with duration of 10 minutes. This promotes the formation of fine-crystalline high-density composite structure and the increase the compressive strength of the finished material in 2.3 and 2.0 times, respectively, compared with the samples in pure gypsum astringent.