ФОСФОГИПС КАК ОСНОВА ВЯЖУЩЕГО ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ

Аннотация. В данной статье раскрывается тема использования отхода при производстве ортофосфорной кислоты – фосфогипса в строительной сфере, путем добавления вяжущих в строительные примеси. В работе представлены методы предварительной обработки фосфогипса, для получения из него строительного гипса, такие как термические, ситовые и химические методы, также сюда входит способ промывки водой и предварительное измельчение в шаровой мельнице. Дана информация о заводах в России, которые улучшают экологическую обстановку посредством производства строительных материалов и изделий из многотоннажных отходов. В статье рассказывается технологии, с помощью которых фосфогипс можно избавить от большого содержания нежелательных примесей, за счет чего увеличиваются прочностные характеристики готовых изделий. Рассмотрена область применения цементных вяжущих, полученных на основе фосфогипса, они пременяются в изготовлении бетонных смесей, растворов для кладки, при производстве высокопрочных кирпичей, в создании штукатурок из гипса, а также в качестве добавки, заменяющей минеральный гипс, также из фосфогипса изготавливают новые гипсокерамические материалы. В конце работы подведен итог о значимости использовании фосфогипса в строительстве, в утилизации, для улучшения экологической обстановки.

Ключевые слова: фосфогипс; основа; состав вяжущего для строительных смесей.

Введение: каждый год в России по некоторым данным утилизируется лишь 2% фосфогипса, остальное хранится в отвалах, занимая большую территорию, это ведет к загрязнению почвы, так как происходит химическое воздействие, состав верхних слоев немного изменяется, увеличивается содержание таких веществ как медь, сера, никель, цинк и др. По своей сути фосфогипс химически представляет собой сульфат кальция, содержащем большое количество примесей. Люди находят способы его применения как в строительной, так и в сельскохозяйственной сфере, а также в химической промышленности для получения редкоземельных элементов. В ходе изучения влияния на окружающую среду выяснилось, что фосфогипс включает в себя множество токсичных и радиоактивных элементов, первые из которых это стронций, кадмий, хлор, фтор. В настоящее время учеными выявлено множество способов по переработке фосфогипса и его внедрения в строительную индустрию, методов, которые привели к развитию в производстве строительных материалов и вяжущих на основе фосфогипса.

Актуальность: Значимость использования фосфогипса в сфере строительства возрастает из-за многих факторов. Во-первых, фосфогипс копится в ряде стран в виде отхода, занимающего большое пространство, если не искать пути его переработки и последующего использование, экологическое состояние во многих странах будет только ухудшаться. Во-вторых, использование фосфогипса дешевле натуральных природных материалов, что позволяет экономичнее подойти к строительству и производству необходимых в данном процессе материалов. В-третьих, из фосфогипса были получены компоненты и гипсовые вяжущие, благодаря которым с относительно малыми затратами в обработке, можно добиться повышения прочностных способностей готовых изделий, а также их устойчивость к сульфатсодержащим средам. Все приведённые факторы доказывают актуальность и значимость применения фосфогипса в индустрии строительва.

Основная часть. Фосфогипс – вещество, которое образуется при производстве ортофосфорной кислоты. Используется сразу в нескольких отраслях, таких как: производство строительных материалов (строительный гипс, гипсовые вяжущие и т.д.), сельское хозяйство (в процессе мелиорации почв), строительство дорог, химическая промышленность (при производстве серной кислоты).

Рассмотрим использование фосфогипса в строительстве. Один из процессов в данной сфере – создание высокообжиговых гипсовых вяжущих, которые улучшают свойства материалов. Штукатурные смеси, в основе имеющие фосфогипс обладают большим сцеплением с поверхностью, а также короткими сроками твердения. Используют фосфогипс-дигидрат в процессе получения кирпича и стеновых камней без обжига. Фосфогипс применяется в цементной промышленности для того, чтобы отрегулировать процесс схватывания цемента, а также для ускорения физико-химических процессов при обжиге клинкера, другими словами, используется в качестве минерализатора [1,5].

Для использования фосфогипса в строительных смесях нужно добиться того, чтобы содержание его примесей (фтора и фосфора) составляло менее 2%. Данный показатель качества объясняется особенностями примесей, отрицательно влияющими на дегидратацию. Гипсовое вяжущие без первоначальной подготовки можно получить при условии, если фосфогипс является отвальным, это означает, что его промывка осуществлялась дождевой водой естественным путем на открытом воздухе [2].

Рисунок 1. Схема извлечения редкоземельных металлов, а также фтора и фосфора из фосфогипса раствором серной кислоты

Сейчас на территориях бывшего СССР существует экологическая проблема из-за отсутствия технологии обработки отвального фосфогипса, благодаря которой можно было бы перерабатывать сразу большое количество, однако люди не упускают попыток прийти к такой технологии, проводятся постоянные исследования на данную тему [3].

Рисунок 2. Фото отвалов фосфогипса в Гомельском районе - Беларусь

Фосфогипс широко применяется для производства гипса несмотря на то, что свойства полученного материала хуже природного строительного гипса. Сейчас разработаны некоторые способы предварительной обработки, благодаря которым можно получить строительный гипс из фосфогипса, такие как: методы промывки водой, химические методы, термические и ситовые. Традиционным вариантом обработки стало предварительное измельчение в шаровой мельнице, для дальнейшего применения в цементной промышленности [4].

Рисунок 3. Схемы получения гипсовых вяжущих из фосфогипса

В современном мире существуют множество технологий изготовления гипсовых вяжущих из фосфогипса, центральное место в производстве которых занимает Япония, Германия и Франция. В России данные цели выполняют Воскресенский и Уваровский химические заводы. Произведенные вяжущие классифицируются на обжиговые (полученные в условиях атмосферного давления при температуре 110-170 ⁰С), безобжиговые или по-другому автоклавные (произведенный в избыточном давлении и температуре 120-150 ⁰С). Перед вышеупомянутыми производствами стоит цель – создание вяжущих, которые будет отвечать строительным требованиям, обладать необходимой стойкостью к воздействию окружающей среды. Вследствие данной работы удается сократить количество лежалого фосфогипса, улучшить экологическое состояние вопроса, так как фосфогипс есть отход предприятий, специализирующихся на фосфорных удобрениях, его размеры доходят до больших цифр. В мире разработан не один путь решения проблем с фосфогипсом, его утилизацией. Однако только Япония использует весь произведенный из года в год фосфогипс [6].

Рисунок 4. Технологическая схема производства гипсового вяжущего из фосфогипса с применением гипсоварочных котлов:

1-автосамосвал, 2-склад фосфогипса, 3-грейферный кран; 4, 8, 18, 22, 25, 29- бункера; 7, 14, 16, 19, 20, 23, 28- питатели; 5-ленточный конвейер; 6, 11, 30, 32- насосы; 9-ловушка, 10-ресивер; 12-сборник фильтрата; 13-барабанный вакуум-фильтр; 15-сушильный барабан; 17, 26, 27-элеваторы; 21-гипсоварочный котел; 24-трубная мельница; 25-бункер томления; 31-резервуар; 33-реактор (бак) нейтрализации.

Турецкие ученые из-за подорожания цемента несут в массы идею о производстве цементных смесей из фосфогипса, в Турции каждый год идет в отходы 3 млн тонн фосфогипса.  Есть проблема в использовании данного химического отхода в качестве компонента строительных материалов, из-за того, что фосфогипс в своем составе имеет большое количество сульфатов, которые в свою очередь ведут к расширению цементных смесей. В условиях отвердевания паром данная проблема решается, в идеале же перед тем, как добавить фосфогипс к строительным смесям, важно подвергнуть его процессу прокаливания. Если же нужны показатели еще лучше, смешивают вместе три элемента: фосфогипс, золу и гашенную известь. Для получения цементных вяжущих объединяют также фторгипс, кальцинированную глину, пуццол, химический активатор, летучую золу, фосфогипсового гипса и гашеную известь. После производства, полученные цементные вяжущие имеют большую область применения, например, для изготовления бетонной смеси или при производстве растворов для кладки. Кирпичи из фосфогипса имеют хорошие прочностные характеристики, выдерживают воздействия больших нагрузок, это делает актуальным их применение в строительстве, а конкретно, в сооружении несущих стен домов. Такую прочность кирпича можно получить при предварительном процессе обработки паром, так как в это время происходит очистка от примесей – перекристаллизация. Произведенные таким образом блоки и кирпичи более устойчивы к воздействиям среды, имеющей в составе большое количество сульфатов.

Количеством добавленного фосфогипса определяются прочностные характеристики производимого строительного материала, так что при необходимости данный показатель можно отрегулировать.

 Помимо всего вышеперечисленного, фосфогипс используется в создании гипсовых штукатурок, если же он подвергается предварительной очистке, то применяется как добавка, заменяющая минеральный гипс, при изготовлении портландцемента и портландшлакового цемента (такая технология используется в Индии).

 После застывания сроком 28 дней самые высокие прочностные характеристики на сжатие были у образцов портландцемента, с содержанием фосфогипса – 3% от общей массы. При воздействии высоких температур из фосфогипса создаются новые гипсокерамические материалы. Примерами успешного дорожного строительства с применением фосфогипса могут служить автодороги Саратовской области Балаковского района, там фосфогипс применялся в создании основания дорожного полотна [6,7].

Выводы. В результате проведенной работы хочется сделать вывод о значимости фосфогипса в строительной индустрии, так как из него различными методами производятся добавки в строительные материалы, которые способствуют улучшению прочностных характеристик образцов, в процессе обработки фосфогипса получают также гипсовые вяжущие, ставшие на сегодняшний день основным материалом в производстве строительного гипса и изделий, получаемых из него, что дешевле, использования природного гипса. В сравнении со всем объемом неиспользованного фосфогипса, который находится просто в хранении, процент задействованного в производстве, несомненно, мал, несмотря на множество созданных технологий его применения, разработанных по всему миру.

Процесс обработки и отделения негативно воздействующих примесей относительно энергоемкий и в материальном плане не особо затратный. Использование фосфогипса в строительстве благоприятно сказывается на экологическую составляющую вопроса его хранения в отвалах.

При увеличении диапазона использования фосфогипса, не только в строительной сфере, увеличится объем его утилизации, данный показатель в Росси пока имеет небольшое значение, но в будущем предприятия по переработки данного отхода будут только расти.