smulkiagrūdis betonas su fosfogipso rišikliu - VGTU leidykla ...

S TATYBA
11-osios Lietuvos jaunųjų mokslininkų konferencijos „Mokslas – Lietuvos ateitis“,
įvykusios Vilniuje 2008 m. balandžio 2–4 d., straipsnių rinkinys
SMULKIAGRŪDIS BETONAS SU
FOSFOGIPSO RIŠIKLIU
Sergejus Gaidučis
Doktorantas, Vilniaus Gedimino technikos universitetas
El. p. sergejus.gaiducis@gmail.com
Anotacija. Straipsnyje tiriamos gausiausios Lietuvoje technogeninės
atliekos – ekstrakcinio pushidračio fosfogipso perdirbimo į smulkiagrūdį
betoną galimybės. Vežamas į sąvartynus fosfogipsas negali
būti naudojamas statybinėms medžiagoms gaminti dėl jame esančių
priemaišų, trikdančių jo savybes, todėl jas būtina neutralizuoti. Šio
darbo tikslas yra ištirti smulkiagrūdžio betono, gauto iš gipscemenčio
ir smėlio, fizines-mechanines savybes, bandinių savybių pokyčius
keičiant formavimo masės aktyvinimo trukmę ir naudojant dvipakopį
mechaninį aktyvavimą, nustatyti optimalų užpildo kiekį
smulkiagrūdžiame betone.
Įvadas
Ekstrakcinis pushidratis fosfogipsas (E-PG) yra gausiausia technogeninė
mineralinė atlieka Lietuvoje. Jos sąvartynuose sparčiai
daugėja, o naudojimas iki šios nėra išspręstas. E-PG šaltinis Lietuvoje
yra AB „Lifosa“, kuriai dirbant kas valandą susidaro apie 100 tonų
E-PG, o kasmet sąvartynai pasipildo daugiau kaip 1 mln. tonų E-PG.
Tokio pavidalo, koks jis vežamas į sąvartynus, E-PG negali būti naudojamas
statybinėms medžiagoms gaminti dėl jame esančių žalingų
priemaišų. Gipsinių rišamųjų medžiagų, darančių E-PG savybėms
didžiausią įtaką, turi jame esančios rūgščiosios priemaišos (Nizevičienė
2001). Tai nesureagavęs apatitas, H3PO4 ir H2SO4 likučiai,
CaS, geležies, aliuminio druskos (Rimkevičius 2003 a), tai priemaišos,
kurios trukdo hidratacijai ir kietėjimui, trikdo labai svarbią E-PG
29

išamosios medžiagos – rišimosi trukmę. Todėl prieš naudojant šią
atlieką statybinėms medžiagoms gauti kenksmingos priemaišos turi
būti neutralizuotos (paverstos netirpiais junginiais, neturinčiais žalingo
poveikio). Kaip neutralizatoriai naudojami įvairūs šarminiai
priedai (Kaminskas 2002).
Nors Lietuvoje fosfogipso tyrimams skiriama daug dėmesio
(Kaziliūnas 2002; Bačauskienė et al. 2003; Rimkevičius 2003b, Kaminskas
et al. 2004), iki šiol nuolat pramoniniu būdu jis neperdirbamas.
Fosfogipso problemą bandoma spręsti išplaunant rūgščiąsias
priemaišas arba jas neutralizuojant kalkių pienu, o iš gauto nekenksmingo
gipso gaminant statybinius gaminius, tačiau duomenų apie
fosfogipso naudojimą smulkiagrūdžiams betonams gauti trūksta.
Todėl šio darbo tikslas yra ištirti smulkiagrūdžio betono, gauto iš
gipscemenčio, ir smėlio fizines mechanines savybes, taip pat ištirti
bandinių savybių pokyčius keičiant formavimo masės aktyvinimo
trukmę ir naudojant dvipakopį mechaninį aktyvavimą, nustatyti optimalų
užpildo kiekį smulkiagrūdžiame betone.
Naudotos žaliavos ir tyrimų metodika
Šiame darbe tyrimams naudotas ką tik nuo atliekų šalinimo konvejerio
nuimtas neatvėsęs ir nesusihidratavęs E-PG (drėgnis – 33 %;
temperatūra – 63 ºC; pH – 2,74; rišimosi pradžia – 45 min.; rišimosi
pabaiga – 70 min.), gautas iš Kovdoro vietovės apatito, kuriame
CaSO4 kiekis siekia 95 %.
E-PG rūgščiąją terpę neutralizuojančiu priedu naudotas portlandcemenčio
ir opokos mišinys. Naudotas didelio ankstyvojo stiprumo
portlandcementis CEM I 42,5 R; LST EN 197–1:2001 (Cem),
kurio savitasis paviršius 357,4 m 2 /kg. Kartu su portlandcemenčiu
naudotas Stoniškių vietovės karbonatinės dezintegratoriuje maltos
opokos priedas. Tai amorfinis, aktyvus priedas, kurio savitasis paviršius
1 400 m 2 /kg. Portlandcemenčio ir opokos santykis 1:1.
Žaliavų cheminė sudėtis pateikiama 1 lentelėje.
30

1 lentelė. Žaliavų cheminė sudėtis
Žaliava
Cheminis junginys, %
SO3 CaO Al2O3 Fe2O3 P2O5b F SiO2
E-PG 57,5 39,9 0,22 0,13 1,75 0,5 –
Opoka 0,37 27,96 1,83 0,74 – – 69,1
Smėlis bandiniams formuoti buvo sijotas per 4 mm skersmens
sietus. Smėlio piltinis tankis 1 720 kg/m 3 , savitasis tankis –
2 650 kg/m 3 .
Mechaninė E-PG aktyvacija ir rūgščių priemaišų neutralizacija
atlikta naudojant smūginį išcentrinį būdą dezintegratoriuje DIA-01,
kai aktyvinamų diskų apsisukimų skaičius yra 3 000 per minutę,
statgirnėse LB-2. Mechaniškai aktyvintųjų mišinių pH matuojamas
jonomačiu pH 330i, esant mišinių ir distiliuoto vandens santykiui
1:10. Rišimosi pradžia ir pabaiga nustatoma Viko prietaisu.
Bandiniai buvo formuojami iš aktyvintos formavimo masės –
gipscemenčio, kurio sudėtis 80 % E-PG, 10 % portlandcemenčio ir
10 % opokos, ją sumaišant su tam tikru smėlio kiekiu.
Formavimo masių sudėtis, mechaninės aktyvacijos tipas ir trukmė
pateikti 2 lentelėje.
2 lentelė. Formavimo masės sudėtis, aktyvacijos tipas ir trukmė
Eil.
Nr.
Formavimo masės sudėtis Aktyvacijos tipas ir trukmė
1 Gipscementis + 25 % smėlio Statgirnėmis 30 min, 45 min
2 Gipscementis + 50 % smėlio Statgirnėmis 30 min, 45 min
3 Gipscementis + 75 % smėlio Statgirnėmis 30 min, 45 min
4 Gipscementis + 25 % smėlio Dezintegratoriumi +
statgirnėmis 3 min
5 Gipscementis + 50 % smėlio Dezintegratoriumi +
statgirnėmis 3 min
6 Gipscementis + 75 % smėlio Dezintegratoriumi +
statgirnėmis 3 min
Fizinėms ir mechaninėms savybėms nustatyti iš rišiklio tešlos ir
užpildo kratant buvo formuojamos sijelės (4×4×16 cm). Bandiniai
31

kietinti eksikatoriuje virš vandens. Buvo nustatytos išdžiovintų iki
pastovios masės 55 °C temperatūroje bei mirkytų vandenyje po
28 parų kietėjimo bandinių savybės.
Bandinių mechaninės savybės nustatytos naudojant universalią
bandymų mašiną PGU-10.
Tyrimų rezultatai ir jų aptarimas
Nuo atliekų šalinimo konvejerio nuimtas E-PG yra drėgno smėlio
konsistencijos birioji medžiaga. Tokio pavidalo jis išlieka iki
1 valandos po nuėmimo. Paskui pradeda hidratuotis, rištis, atsiranda
kietų gabaliukų. Jo dozavimas bei tiekimas į mechaninės aktyvacijos
įrenginius tampa problemiškas, o mechaninė aktyvacija neduoda
tokių rezultatų kaip naudojant šviežią atlieką. Po 1,5 valandos E-PG
susidaro valkšni masė, kuri netinka toliau perdirbti. E-PG į laboratoriją
buvo vežamas sandariai uždarytame termostatiniame inde, jam
neleidžiama atvėsti, sąveikauti su oru. Todėl atvežtas E-PG tuojau
pat dozuojamas ir kartu su priedais perduodamas į mechaninės aktyvacijos
įrenginius. Formuojant skirtingos sudėties bandinius, E-PG
aktyvinamas kartu su neutralizuojančiu priedu (portlandcemenčio ir
opokos mišiniu), paskui gautas rišiklis maišomas su sijotu smėliu.
Šiame darbe išbandytos dvipakopės mechaninės aktyvacijos paskirtis
yra dezintegravimo metu išspausti į formavimo masę įtrauktą
orą ir taip padidinti bandinių tankį ir stiprį, sumažinti poringumą ir
vandens įmirkį. Kitas papildomos aktyvacijos tikslas yra iki minimumo
sumažinti bandiniams suformuoti reikalingą laiką. Ankstesniais
tyrimais (Rimkevičius 2003 a) buvo nustatyta, kad gipscemenčio
be priedų aktyvacija statgirnėse suteikia didesnį tankį ir stiprį,
tačiau aktyvacijos procesas užtrunka daug ilgiau.
Formavimo masių savybės pateikiamos 3 lentelėje.
32

3 lentelė. Formavimo masių savybės
Eil.
Nr.
v/k pH
Rišimosi pradžia,
min (30, 45 min)
33
Rišimosi pabaiga,
min (30, 45 min)
1–6 0,22–0,28 12,1–12,8 40–55 55–70
Siekiant gauti kuo didesnio tankio ir stiprio bandinius, formavimo
masių v/k buvo imamas minimalus, leidžiantis suformuoti bandinius
kratant. Visų bandinių serijų pH yra daugiau nei 12. Tai patvirtina
anksčiau gautus duomenis, kad portlandcemenčio ir opokos
mišinys yra labai efektyvus rūgščiųjų E-PG priemaišų neutralizatorius.
Pastebėta, kad smėlio priedas neturi jokios įtakos pH reikšmei,
nekeičia formavimo masės rišimosi pradžios ir pabaigos terminų.
Bandinių fizinės savybės pateiktos 4 lentelėje.
4 lentelė. Bandinių fizinės savybės
Savybė
Eil. Nr.
Tankis,
kg/m 3
Savitasis
tankis, kg/m 3
Poringumas,
%
Vandens
įmirkis, %
1 1 920 2 180 11,9 7,9
2 1 980 2 220 10,8 9,8
3 2 060 2 230 7,6 9,9
4 1 900 2 110 10,0 10,4
5 1 930 2 200 12,3 11,9
6 2 040 2 240 8,9 14,1
Dėl didesnio smėlio tankio didėjant jo kiekiui formavimo masėje
didėja bandinių tankis, mažėja poringumas, o vandens įmirkis beveik
nepriklauso nuo šių savybių. Lyginant 1–3 ir 4–6 serijų bandinius,
galima pastebėti, kad aktyvinimo statgirnėse ir esant dvipakopei mechaninei
aktyvacijai bandinių fizinės savybės beveik nesiskiria, tik
kiek padidėja poringumas ir vandens įmirkis. Tai rodo, kad aktyvinant
dezintegratoriumi į formavimo mišinį įtraukiamas oras nevisiškai
pašalinamas papildomos aktyvacijos statgirnėse metu.
Bandinių stipruminės savybės pateikiamos 5 lentelėje.

5 lentelė. Bandinių stipruminės savybės
Eil.
Nr.
R gn,
30
min
Bandinių stipris po 28 parų kietėjimo eksikatoriuje virš vandens
Išdžiovintų Mirkytų
R gn,
45
min
R l,
30
min
R l,
45
min
34
R gn,
30
min
R gn,
45
min
R l,
30
min
R l, 45
min
k* po
30/45
min
1 30,4 31,8 15,4 16,1 23,7 22,9 9,4 8,8 0,78
0,72
2 27,3 30,4 13,7 12,9 18,3 19,6 6,1 6,3 0,67
0,65
3 16,1 16,4 6,1 6,0 7,9 7,8 3,7 4,6 0,49
0,48
4 36,8 14,8 32,1 10,6 0,87
5 26,7 13,9 19,7 6,0 0,74
6 16,8 6,3 6,1 4,2 0,43
k* – suminkštėjimo koeficientas
Iš 5 lentelėje pateiktų duomenų matyti, kad, ilgėjant mechaninės
aktyvacijos statgirnėse trukmei nuo 30 min iki 45 min, nedaug didėja
bandinių stipris gniuždant, o stipris lenkiant išlieka panašus. Esant
dvipakopei mechaninei aktyvacijai, yra daug didesnis bandinių stipris
gniuždant.
Suminkštėjimo koeficientas parodo gaminių naudojimo galimybes
neapsaugotame mūre. Minimalus rekomenduojamas suminkštėjimo
koeficientas, leidžiantis gaminius naudoti konstrukcijose be
apsaugos nuo aplinkos poveikių, yra apie 0,80. Iš 5 lentelėje pateiktų
duomenų matyti, kad pagal šį rodiklį neapsaugotame mūre tinka
naudoti tik gipscemenčio esant 25 % smėlio bandiniai, kuriems pagaminti
buvo panaudota dvipakopė mechaninė aktyvacija. Analogiškos
sudėties smulkiagrūdis betonas, gautas aktyvinant vien statgirnėse,
pasižymi nepakankamai dideliu suminkštėjimo koeficientu.
Bandinių stiprio gniuždant analizė pateikta pavyzdyje (4–6 serijoms
pateikiamas sausų ir mirkytų bandinių stipris gniuždant po dvipakopės
mechaninės aktyvacijos).

Stipris gniuždant, MPa
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1 2 3 4 5 6
Serijos Nr.
sausų, 30 min. mirkytų, 30 min. sausų, 45 min. mirkytų, 45 min.
Bandinių stipris gniuždant
Bandymai parodė, kad, naudojant gipscemenčio rišiklį, galima
gauti pakankamai stiprius smulkiagrūdžio betono bandinius, kurie
savo stiprumu nenusileidžia tradiciniam betonui. Didžiausiu stipriu
pasižymi bandiniai, gauti iš gipscemenčio ir 25 % smėlio, kurių gamyboje
panaudota dvipakopė mechaninė aktyvacija. Tai rodo, kad
aktyvinant rišiklį dezintegratoriuje vyksta intensyvesnis procesas nei
statgirnėse, o papildoma aktyvacija jose tik didina bandinių stiprį bei
tankį ir sumažina poringumą, palyginti su bandiniais, gautais iš gipscemenčio
ir 25 % smėlio naudojant vien aktyvaciją statgirnėse.
Iš pateiktų duomenų matyti, kad 1 ir 2 serijų bandiniai skiriasi
neesmingai, o 3 serijos bandinių stipris daug mažesnis. Įvertinant tai,
kad sunkiausiai gaunama ir brangiausiai kainuojanti formavimo mišinio
sudedamoji dalis yra gipscementis, galima teigti, kad, norint
gauti gerų stipruminių savybių ir mažiausios kainos bandinius, optimalus
smėlio kiekis smulkiagrūdžiame betone turi siekti 50 %.
35

Išvados
1. Laboratoriniai tyrimai parodė, kad, taikant mechaninės aktyvacijos
technologiją, galima gauti smulkiagrūdį betoną, pasižymintį
dideliu tankiu ir stipriu, mažu poringumu ir vandens įmirkiu.
2. Dvipakopė mechaninė aktyvacija turi teigiamą įtaką bandinių
savybėms. Gaunami analogiškų savybių bandiniai, kaip ir aktyvinant
45 min statgirnėse, bet visas formavimo procesas sutrumpėja iki
7–8 min. Remiantis suminkštėjimo koeficiento analize, nustatyta,
kad, be papildomos apsaugos nuo atmosferos veiksnių, gali būti naudojami
bandiniai, suformuoti iš rišiklio esant 25 % smėlio priedui.
Juos gaminant buvo naudojama dvipakopė mechaninė aktyvacija.
3. Stiprio skirtumas tarp bandinių, gautų esant 25 % ir 50 %
smėlio priedui, nėra didelis, todėl ekonominiu požiūriu optimalus
smėlio kiekis smulkiagrūdžiame betone turi siekti 50 %. Gautų bandinių
stipris gniuždant leidžia juos naudoti kaip konstruktyvius gaminius.
Literatūra
Bačauskienė, M.; Kerienė, J.; Ratinov, V. 2001. Naujos sudėties fosfogipsinių
atliekų ypatumai ir panaudojimo ekologiškai gipsinei rišamajai medžiagai
gaminti tyrimas, Journal of Environmental Engineering and
Landscape Management 9(1): 9–16.
Kaminskas, A. 2002. Energiją tausojančių statybinių medžiagų technologijos.
Vilnius: Technika. 257 p. ISBN 9955-9328-4-8.
Kaminskas, A. et al. 2004. Rišamoji medžiaga iš pushidratinio fosfogipso,
Cheminė technologija 3(33): 22–26.
Kaziliūnas, A. 2002. Fosfogipso rišiklio mišinių su cementu ir trepeliu tyrimas,
Cheminė technologija 3(24): 27–30.
Nizevičienė, D. 2001. Pushidratinio fosfogipso susidarymas, savybės ir
panaudojimas. Daktaro disertacija. Kauno technologijos universitetas.
Kaunas. 85 p.
Rimkevičius, M. 2003a. Gipscementis iš mechaniškai aktyvuoto ekstrakcinio
pushidratinio fosfogipso. Daktaro disertacija. Vilniaus Gedimino technikos
universitetas. Vilnius. 88 p.
36

Rimkevičius, M.; Kaminskas, A. 2003b. Mechaniškai aktyvinto ekstrakcinio
pusvandenio fosfogipso savybės, Journal of Civil Engineering and
Management 9(Suppl 1): 49–54.
FINE-GRAINED CONCRETE BASED ON
PHOSPHOGYPSUM
S. Gaidučis
Summary
One of Lithuania's most abundant technogenic inorganic wastes – extractive
hemihydrate phosphogypsum was investigated for using it in fine –
grained concretes. The condition of phosphogypsum in which it is disposed
to stackpiles, makes it impossible to use it for construction
purposes due to the acidic admixtures present in it, which block its hydration
and hardening, also destabilizes its other properties. So it is neutralized
by using a Portland cement and opoka mixture. The aim of this investigation
was to measure the physico properties of fine – grained concrete obtained
from gypsum cement and sand, determine the optimal amount of filler
for it and investigate the specimens physico – mechanical property changes
during two – stage mechanical activation.
37