CC BY
17ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
Т 56 (2) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2013
УДК 541.1:631.8:658.567
М.Г. Игленкова, А.А. Родина, В.А. Решетов, С.Б. Ромаденкина
ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМООБРАБОТКИ, КОНЦЕНТРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК И УСЛОВИЙ ПРЕССОВАНИЯ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ФОСФОГИПСА
(Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского)
e-mail: [email protected]
Исследованы зависимости предела прочности при сжатии от температуры термообработки (60, 110, 180, 230, 340 700 и 1000°С), химических добавок (MgO, CaO, SrO, BaO) и условий прессования (35-70 МПа) объектов, найдены условия получения композитов на основе фосфогипса с наиболее высокими эксплуатационными свойствами.
Ключевые слова: фосфогипс, композиционные материалы, термообработка, прессование, кондиционирование
Проблема переработки фосфогипса остро стоит перед многими странами, имеющими большие запасы природных ресурсов (гипс, сера). Это связано с тем, что на данный момент предлагаемые технологии переработки фосфогипса в полезные продукты являются по коммерческим соображениям невыгодными по сравнению с использованием аналогичного природного сырья. Поэтому в специальных накопителях предприятий, производящих экстракционную фосфорную кислоту и минеральные удобрения, скопилось более 200 млн.т фосфогипса. Фосфогипс, хранящийся под открытым небом, загрязняет атмосферу, подземные и поверхностные воды, почвенно-расти-тельный покров вредными веществами [1].
Целью данной работы явилось выявление основных зависимостей предела прочности при сжатии от температуры термообработки, концентрации химических добавок и условий прессования при получении композиционных материалов на основе фосфогипса.
В исходном фосфогипсе в остаточном количестве содержатся фосфорная, фтороводород-ная, кремнефтористоводородная кислоты. Это обусловливает сильнокислотную среду фосфогип-са в диапазоне от 2 до 3 ед. рН, что отрицательно сказывается на вяжущие свойства композитов [1]. Поэтому для получения композиционных материалов исходный фосфогипс предварительно подвергался кондиционированию с использованием карбоната кальция или оксида кальция [2].
Ранее [3] нами было показано, что зависимость предела прочности образцов при сжатии от температуры термообработки в диапазоне от 25°С до 700°С имеет экстремальный характер с максимумом в области 180°С.
Таблица 1
Зависимость прочности при сжатии композитов от типа и количества вводимых добавок
Table 1. Dependence of compressive strength of composites on the type and amount of additives introduced
Вид добавки Количество Прочность, МПа
введенной Нейтрализатор
добавки мел известь
1 - 0 2,8 4,0
2 МgO 3 1,4 2,0
3 МgO 5 1,1 1,1
4 СаО 3 2,5 4,6
5 СаО 5 2,1 4,8
6 SrO 3 2,3 2,8
7 SrO 5 1,4 2,0
8 BaO 3 1,1 1,8
9 BaO 5 0,8 1,4
Поэтому в качестве объекта дальнейших исследований мы выбрали образец фосфогипса, нейтрализованный известью и кальцитом и тер-мообработанный при 180°С. В образец вводились добавки: оксиды кальция, магния, стронция, бария в количестве от 3 до 5 масс. %. Было обнаружено, что использование данных соединений приводит к изменению прочности и времени схватывания получаемых композиционных материалов на основе
фосфогипса. В табл. 1 представлены результаты испытания полученных образцов на прочность при сжатии через 2 часа после затворения.
Как видно из табл. 1, оксид кальция в качестве добавки приводит к увеличению прочностных характеристик полученных композиционных материалов, в то время как добавки оксидов магния, стронция, бария приводят к уменьшению прочности композитов, достигая минимума при введении оксида бария. Сроки схватывания имеют противоположную тенденцию: минимальное время схватывания имели образцы с добавкой оксида кальция, максимальное - с добавкой оксида бария.
С увеличением температуры термообработки нейтрализованного фосфогипса до 1000°С нами было получено два продукта, отличающихся друг от друга цветом. Образец, который предварительно был нейтрализован карбонатом кальция, имел серый цвет, а образец, нейтрализованный известью, - персиковый цвет.
Серый цвет образца обусловлен наличием фосфорной кислоты в исходном продукте. При взаимодействии фосфорной кислоты и карбоната кальция образуются монокальцийфосфат и ди-кальцийфосфат, которые при высоких температурах разрушаются с образованием фосфорной кислоты [1].
Таблица 2
Результаты лазерного микроскопического анализа Table 2. The results of laser microscopic analysis
Катион Режим
Интенсивность Мощность лазерного луча, отн. ед.
1,2 2,1
Кремний 2516,1 + +
Фосфор 2554,9 Осн. +
Марганец 2976,1 Сл. Сл.++
Железо 2599,4 Сл. ++
Магний 2802,7 2852,1 Сл.+ ++
Кальций 3933,7 От 40 до 100 Осн.
Титан 3349,03 ++ ++
Медь 3247,54 Осн. ++
Натрий 3242,28 3600,00 +++ ++
Никель 3414,77 Сл.+ Сл.
Алюминий 3944,01 Сл. Сл.
Стронций 4077,71 3380,71 + Осн.
Лантан 3949,1 Сл.+ ++
Персиковый цвет образцу придают соединения редкоземельных элементов, в избытке содержащихся в исходном фосфогипсе [1], а также дигидрат фосфата железа [4].
Как показывают результаты лазерного микроскопического анализа, в фосфогипсе в достаточном количестве присутствует лантан, который, возможно, при воздействии высокой температуры, переходит в соединения розового или красного цвета (табл. 2).
Результаты масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой отожженного при 1000°С фосфогипса показали присутствие в заметных количествах следующих редкоземельных элементов: СеО2 (0,2 %), Nb2Oз (0,1 %), Ьа02 (0,14 %).
Образцы, полученные путем обработки фосфогипса при 1000 °С, подвергались дальнейшим исследованиям на основные показатели, устанавливаемые для вяжущих веществ. Показано, что водопотребность образцов составляет 28 %, сроки схватывания лежат в границах: начало 16 ч, конец 23 ч, прочность через 28 суток в условиях нормального хранения (температура 20±2 °С, влажность 95±5 %) 8,0 МПа и 6,5 МПа для «персикового» и «серого» образцов, соответственно, коэффициент размягчения равен единице.
35 и 30 -25 -20 -15 -10 -5 -0
0
50 _ Л„ 100 Р„, МПа
Примечание: + - интенсивность 10-40%; ++ - интенсивность 70-100%; Осн. - основа; Сл. - слабый рефлекс Note: + - intensity of 10-40%; + + - intensity of 70-100%; Осн. - basis; Сл. - weak reflex
Рис. Зависимость предела прочности при сжатии образцов фосфогипса от оказываемого внешнего давления прессования: 1-СаО, 2-СаСО3 Fig. The dependence of the compressive strength of phosphogyp-sum samples on the external pressure of molding: 1-СаО, 2-СаСО3
Известно, что воздействие внешнего давления на формируемые образцы (прессование) положительно сказывается на общих физико-механических свойствах получаемых образцов [5, 6]. Поэтому дальнейшие исследования образцов фосфогипса, отожженных при 1000°С, проводи-
1
лись в условиях прессования. Нами было обнаружено, что оптимальное давление прессования составляет 52,4 МПа. Такой режим прессования позволяет получать высокопрочные образцы с прочностью порядка 25-30 МПа (28 суток нормального хранения) (рисунок) [7].
Как видно из рисунка, превышение давления прессования в 52,4 МПа приводит к ухудшению прочностных характеристик получаемых образцов.
Введение добавок в исходные смеси для получения образцов совместно с прессованием показали сходные зависимости влияния добавок на прочность образцов, но за счет дополнительного прессования образцов в момент формирования композиционного материала удалось повысить прочность конечного продукта примерно в 10 раз (табл. 3).
Таблица 3
Зависимость прочности при сжатии композитов от типа и количества вводимых добавок в условиях прессования
Table 3. The dependence of the compressive strength of composites on the type and amount of additives introduced during the molding
Исследованы зависимости физико-механических параметров от температуры термообработки (60, 110, 180, 230, 340 700 и 1000°С), химических добавок (MgO, СаО, SrO, ВаО) и условий прессования (35 - 70 МПа) объектов.
Наиболее высокие эксплуатационные параметры композитов получены: температура -1000°С, давление прессования - 52,4 МПа, добавка - оксид кальция.
Красивый персиковый цвет композитов, полученных из нейтрализованного фосфогипса при температуре 1000°С и давлении прессования 52,4 МПа, обусловлен присутствием соединений редкоземельных элементов: лантана, церия и неодима.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иваницкий В.В., Классен П.В., Новиков А.А., Стонис С.Н., Эвенчик С.Д., Яковлева М.Е. Фосфогипс и его использование. М.: Химия. 1990. С. 224;
Ivanitskiy V.V., Klassen P.V., Novikov A.A., Stonis S.N., Evenchik S.D., Yakovleva M.E. Phosphogypsum and its use. M.: Khimiya. 1990. 224 p. (in Russian).
2. Игленкова М.Г. Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии. Саратов. 2010. С. 338-339; Iglenkova M.G. Modern problems of theoretical and experimental chemistry. Saratov. 2010. P. 338-339 (in Russian).
3. Игленкова М.Г., Родина А.А., Решетов В.А., Рома-денкина С.Б. // Изв. Сар. ун.-та. 2012. Вып. 2. Т. 1. С. 60-62;
Iglenkova M.G., Rodina A.A., Reshetov V.A., Romadenkina S.B. // Izv. Saratovskogo universiteta. 2012. V. 2. T. 1. P. 60-62 (in Russian).
4. Лепилина Р.Г., Смирнова Н.М. Термограммы неорганических фосфатных соединений. Справочник. Л.: Химия. 1984. С. 286-288;
Lepilina R.G., Smirnova N.M. Thermograms of inorganic phosphate compounds.Handbook. L.: Khimiya. 1984. P. 286288 (in Russian).
5. Болдырев А.С., Золотов П.П, Люсов А.Н. Справочник. Строительные материалы. М.: Стройиздат. 1989. С. 587; Boldyrev A.S., Zolotov P.P, Lyusov A.N. Handbook. Building materials. M.: Stroiyizdat. 1989. P. 587 (in Russian).
6. Ишков А.В, Панов Ю.Т. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. Вып. 1. С. 108-110;
Ishkov A.V., Panov Yu.T. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tehnol. 2011. T. 54. N 1. P. 108-110 (in Russian).
7. Игленкова М.Г., Родина А.А., Решетов В.А. // 5-й Международный симпозиум "Химия и химическое образование". Владивосток. 2011. С. 226-228;
Iglenkova M.G., Rodina A.A., Reshetov V.A. // 5 Int. Symposium "Chemistry and Chemical Education". Vladivostok. 2011. P. 226-228 (in Russian).
Вид добавки Количество введенной добавки Прочность, МПа
Мел Известь
1 - 0 25,5 29,7
2 МgO 3 10,8 11,3
3 МgO 5 9,6 10,8
4 СаО 3 26,9 41,7
5 СаО 5 24,9 38,2
6 SrO 3 4,8 5,4
7 SrO 5 3,1 3,5
8 BaO 3 7,4 9,6
9 BaO 5 1,4 5,7
ВЫВОДЫ
Кафедра физической химии
