Свойства вспененного легкого высокоэффективного тройного связующего на основе фосфогипса

Материалы и методы
Дигидрат фосфогипса (CaSO₄·2H₂O), анализируемый в данной работе, представляет собой отход, образующийся на заводе по производству удобрений AB Лифоса (Кедайняй, Литва) при производстве фосфорной кислоты мокрым способом, где разлагается апатит из Ковдорского рудника, Кольский полуостров, Россия. серной кислотой. Для производства 1 т ортофосфорной кислоты получается около 3,0–4,5 т ФГ. На предприятии в качестве сырья в производстве фосфорной кислоты используется колский апатит вулканического происхождения (Киров и Ковдор) (с содержанием F2 1–2%, P₂O₅ — около 38% в виде фосфора). Кроме того, используются фосфориты осадочного происхождения из других стран (Марокко, Иордании, Казахстана (Каратау), Алжира, ЮАР). В качестве вторичного сырья в настоящем исследовании использовали дигидрат ФГ. Химический состав сырья приведен в табл.1. Начальный рН ФГ находится в пределах 2,2–2,9, при хранении он может постепенно повышаться. ПС сушили при 60°С (влажность 9-12 мас.%) и измельчают до порошкообразных частиц ударным измельчением в полупромышленном дезинтеграторе с частотой вращения 50 Гц. Распределение частиц по размерам представлено на рисунке 1. Затем полугидрат сульфата кальция вяжущее получали обработкой молотого гипсового порошка при температуре 180 ◦С в течение 4 часов. Для сравнения характеристических технологических свойств полученного вяжущего использовали строительный гипс.
Таблица 1. Химический состав сырья, используемого для получения нового строительного материала [% по массе].

Элемент	Гипс технический	Фосфогипс	Метакаолин	Цемент I 42.5N
SiO2	3.73	1.07	51.80	22.64
Al2O3	1.68	0.70	34.20	5.93
Fe2O3	0.46	0.22	0.50	3.26
CaO	35.64	37.16	0.10	57.04
MgO	3.92	0.21	0.10	4.26
SO3	30.90	37.38	-	3.30
Na2O	0.31	0.48	0.60	0.10
K2O	-	-	-	2.40
TiO2	0.05	0.11	0.60	0.38
Cl	-	-	-	0.14
P2O5	-	0.57	-	0.46
LOI	22.43	19.24	11.5	-
Total	99.42	99.74	99.60	99.90

сумма прохождения.%

100
80

60
40
20
0
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000
Размер частиц d, мм
ШГТ ФГ MKW Цемент Песок <4 мм
Рисунок 1. Гранулометрический состав сырья, используемого для приготовления нового строительного материала.
Другими компонентами вяжущего были метакаолин в качестве дополнительного вяжущего материала и портландцемент I 42,5Н. Химический состав цемент приведен в табл.1. Начальное время схватывания составляло 182 мин, а окончательное схватывание — 224 мин (согласно LVS EN 196-3); нормальная консистенция составила 28,2% (согласно LVS EN 196-3). Тонкость цемента по Блейну составила 3787 см2/г (согласно LVS EN 196-6). Эквивалент Na составил 1,68. Прочность на сжатие через 1 сут составила 15,4 МПа, через 2 сут — 32,9 МПа, через 7 сут — 48,8 МПа, через 28 сут — 60,5 МПа. Отходы метакаолина получают со стекольного завода АО «Кувасайский КВАРЦ» (Узбекистан, Фергана).
Метакаолин является побочным продуктом конечной стадии производства керамзитобетона, где порошок каолинитовой глины используется в качестве антиагломерирующего вещества и нагревается при температуре 850 ◦С в течение 40–50 мин. Метакаолин в основном представляет собой аморфный продукт дегидратации каолинита Al₂(OH)₄Si₂O₅, который проявляет сильную пуццолановую активность и часто используется в бетонной промышленности в качестве дополнительного вяжущего материала. Рентгенограмма и подробное описание Метакаолин были опубликованы ранее. Метакаолин содержит аморфный метакаолин, обнаруженный в области 2θ от 15 до 30 ◦ , а также некоторые второстепенные кристаллические фазы в Метакаолин: кварц (SiO₂) и галлуазит Al₂Si₂O₅(OH)₄. Удельная поверхность Метакаолин составляет 15,86 м2/г. Потери при прокаливании для метакаолина составили 11,5%. Гранулометрический состав материалов, использованных при приготовлении тройного связующего, представлен на рисунке 1.Sika ViscoCrete G-2 — это высокоэффективный суперпластификатор/понизитель воды на основе поликарбоксилатной полимерной технологии. Поликарбоксилатной разработан для применения в системах с высоким содержанием сульфата кальция или вяжущих на основе чистого гипса. Гипс ретард – это порошкообразная добавка на основе лимонной кислоты, которая использовалась для регулирования времени схватывания гипса. Гипс ретард был добавлен в сухую вяжущую смесь и тщательно перемешан перед добавлением воды. Додецилсульфат натрия (ДСН) ≥85%, чистый (Акрос Органикс), использовали в качестве стабилизатора пены для приготовления вспененных образцов. Для получения пористого легкого материала тройной системы использовали анионное поверхностно-активное вещество со стабилизирующими и функциональными добавками ПБ-Люкс.
Состав приготовленной смеси приведен в табл.2. Первые две композиции представляли собой связующие пасты тройной системы (GCP-ФГ и GCP-ШГТ). Отличие двух из них состоит в том, что в одном случае используется коммерческое гипсовое вяжущее (аббревиатура ШГТ), а в другом – одно вяжущее ФГ (аббревиатура ФГ). Количество поликарбоксилатной составило 1,5% от общего количества вяжущего, а замедлителя схватывания Р – 0,2%. Для образцов с ФГ использовали замедлитель схватывания, так как он имеет более короткое время схватывания по сравнению с техническим гипсом. Отношение W/B составляло 0,34 для обеих смесей. Две другие смеси были основаны на двух указанных вяжущих пастах, но в состав смеси был дополнительно введен промытый кварцевый песок (0/4 мм) при соотношении вяжущее-песок 1:1,75. Соотношение W/B немного увеличилось при добавлении песка.
Таблица 2. Состав смеси приготовленной вяжущей пасты тройной системы и вяжущего раствора тройной системы.

Смесь

ФГ

ШГТ

Цем

Метакаолин