Цементый композит на основе рисовых отходов
Автор: Айдаралиев Ж.К., Бекболот кызы Б., Суйунбек уулу А.
Журнал: Бюллетень науки и практики @bulletennauki
Рубрика: Сельскохозяйственные науки
Статья в выпуске: 6 т.12, 2026 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается разработка и исследование цементного композита на основе рисовых отходов как перспективного экологически безопасного строительного материала. Актуальность работы обусловлена необходимостью утилизации агропромышленных отходов и снижением негативного воздействия строительной индустрии на окружающую среду. Цели исследования: разработка и научное обоснование эффективного цементного композита с использованием рисовых отходов (рисовой шелухи и/или золы рисовой шелухи) с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, а также оценка его экологической и экономической эффективности. Материалы и методы исследования: в работе проведён обширный обзор методов переработки и получения продуктов из рисовой шелухи. С использованием гидрокавитатора и пиролизной установки рисовая шелуха была переработана с целью её применения в качестве наполнителя для цементных композиций. Результаты исследования: получены цементные композиции с добавлением рисовой шелухи как до, так и после её переработки. Проведённые экспериментальные исследования показали, что оптимальное содержание добавки РШ в цементной композиции составляет 10%. Выводы: оптимальный состав цементной композиции включает: портландцемент — 90%, золу РШ — 10%. При этом материал характеризуется следующими показателями: плотность — 1400 кг/м³; водопоглощение — 20%; прочность на сжатие — 28,4 МПа; прочность на изгиб — 3,75 МПа.
Композит, рисовые отходы, рисовая шелуха, гидрокавитатор, пластическая масса РШ, пиролиз. микрокремнезем, цементная композиция
Короткий адрес: https://sciup.org/14138262
IDR: 14138262 | УДК: 691.32:666.972:664.735 | DOI: 10.33619/2414-2948/127/51
Cement Composite Based on Rice Waste
Addresses the development and investigation of a cement composite based on rice waste as a promising environmentally friendly construction material. The relevance of the study is обусловлена the need for utilization of agro-industrial waste and reduction of the negative environmental impact of the construction industry. Research objectives: the objective is to develop and provide scientific justification for an effective cement composite using rice waste (rice husk and/or rice husk ash) with improved physical, mechanical, and performance characteristics, as well as to evaluate its environmental and economic efficiency. Materials and methods: the study includes a comprehensive review of methods for processing and obtaining products from rice husk. Using a hydrodynamic cavitation device and a pyrolysis unit, rice husk was processed for its subsequent use as a filler in cementitious composites. Results: cement composites were obtained with the addition of rice husk both before and after its processing. Experimental studies showed that the optimal content of rice husk additive in the cement composition is 10%. Conclusions: the optimal composition of the cement composite includes: Portland cement — 90%, rice husk ash — 10%. The material is characterized by the following properties: density — 1400 kg/m³; water absorption — 20%; compressive strength — 28.4 MPa; flexural strength — 3.75 MPa.
Текст научной статьи Цементый композит на основе рисовых отходов
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice
УДК 691.32:666.972:664.735
Одним из перспективных направлений в области материаловедения является разработка технологий композитов различного назначения с использованием наполнителей из органического сырья. В качестве такого наполнителя широко применяется рисовая шелуха (РШ), которая активно используется в Китае, Индии, США, России, Казахстане и других странах [1–3].
Переработка рисовых отходов позволяет получать ценные продукты, такие как аморфный диоксид кремния (АДК), кристаллический кремний, целлюлозное волокно, активированный уголь, а также щелочной лигнин [4–6].
Применение аморфного диоксида кремния и углеродных наполнителей на основе рисовой шелухи способствует улучшению физико-механических свойств эластомерных композиционных материалов [7–10].
Рисовая шелуха и продукты её переработки (зола, карбонизаты) широко исследованы в качестве сорбентов для извлечения металлов и газов, а также в качестве наполнителей полимерных и эпоксидных композитов [11–16; 20].
Основные характеристики рисовой шелухи: содержание целлюлозы составляет 40÷45%, лигнина — 20÷25%, гемицеллюлозы — около 15%; истинная плотность ‒ 0,735 г/см³, насыпная плотность — 0,1 г/см³. При переработке 1 т риса образуется около 200 кг лузги, из которой после сжигания остаётся примерно 40 кг золы [2].
Кремнезёмная пыль рисовой шелухи обладает удельной поверхностью 14 ÷ 30 м²/г и используется для формирования нанопористой структуры керамики, способствуя улучшению её теплофизических и механических свойств [24–26].
Использование отходов рисового производства и их золы в керамических и огнеупорных материалах, а также в теплоизоляционных плитах позволяет снижать теплопроводность до 0,054÷0,055 Вт/(м·К) при температурах до 1450°C [26].
Такие материалы обеспечивают экономическую эффективность, способствуют рациональному использованию отходов рисового производства и организуют новые классы наполнителей для композиционных материалов [1–18].
Целью настоящей работы является разработка цементных композиций с добавлением переработанной рисовой шелухи.
Материалы и методы исследования
Состав и свойства рисовых отходов приведены в работах [26–28].
Для переработки рисовой шелухи с целью получения микродобавки для бетона первоначально в 30 л воды диспергировали 6 кг рисовой шелухи. Полученную смесь подавали в гидрокавитатор [28].
Устройство подключали к электрической сети, при этом продолжительность обработки составляла 2 часа.
В процессе кавитации за счёт трения температура раствора повышалась до 40°C, а давление, согласно показаниям манометра, достигало 0,1 МПа. По завершении обработки рисовую шелуху отделяли от водной среды методом фильтрования через фильтрующий материал, после чего высушивали в сушильном шкафу при температуре 105°C.
Параметры рисовой шелухи после обработки в гидрокавитаторе (время — 120 мин, температура нагрева за счёт трения — 35°C, давление — 0,1 МПа) распределились следующим образом: грубая фракция — 4,5 кг (75%), пластическая масса — 0,95 кг (15,83%), дисперсная часть, оставшаяся в водной среде, — 0,55 кг (9,6%).
Термореактор оснащён электрическим нагревателем, термопарой и электронными приборами. Температура нагрева регулируется автоматически с помощью электромагнитного реле по заданному температурному режиму. Электронагреватель и термореактор изолированы термоизоляционными материалами.
Сырьё загружается в реактор и нагревается до определённой температуры без доступа воздуха (процесс пиролиза). В результате пиролиза при стабильной температуре происходит выделение органических веществ, которые отводятся через трубку. В это время вентиль открыт. Газообразные продукты пиролиза проходят по трубке и улавливаются в специальном поглотителе.
При термическом воздействии (пиролиз при температуре 900°C в течение 45 мин) потери массы грубой рисовой шелухи составили 25%, а пластической массы — 20%. Это обусловлено удалением органических компонентов, разлагающихся и испаряющихся в процессе нагревания.
Параметры пластической массы, полученной из рисовой шелухи с использованием гидрокавитации, характеризуются следующими значениями: объёмная усадка — 12,5÷28,75%, плотность — 600÷760 кг/м³, прочность на сжатие — 128÷136 кгс/см².
Микрокремнезём представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий преимущественно из частиц диоксида кремния (SiO₂) размером 0,1–0,3 мкм.
Основной химический состав микрокремнезёма следующий: диоксид кремния — 85÷98%; оксид алюминия — 0,2÷0,8%; оксид железа — 0,1÷0,5%; оксид кальция — около 0,5%.
Результаты и обсуждение
Состав смеси для цементной композиции был выбран следующим образом: цемент — 50÷80%; песок — 10÷40%; микрокремнезём марки М85 — 10%; отходы рисовой шелухи (грубая фракция) — 10%; отсев — 10% отходы рисовой шелухи (мелкая фракция) — 10÷30%. В состав смеси добавляли воду, после чего компоненты перемешивали в лабораторной мешалке в течение 10 мин.
Полученную смесь формовали в специальные формы для проведения испытаний. Результаты физико-механических испытаний представлены в Таблицах 1 и 2.
Из Таблиц 1 и 2 видно, что оптимальное содержание добавки рисовой шелухи (РШ) в цементной композиции составляет 10%. При увеличении содержания РШ наблюдается ухудшение физико-механических характеристик материала.
Таблица 1
|
Состав смеси в % |
Механические характеристики |
|||||
|
Цемент |
песок |
К 85 |
РШ (грубый) |
РШ (мелкий) |
R еж кг·с/см2 |
R изг кг·с/см2 |
|
80 |
- |
- |
- |
20 |
100 |
10 |
|
70 |
- |
- |
- |
30 |
30 |
8 |
|
90 |
10 |
100 |
9,8 |
|||
|
90 |
10 |
2800 |
46,7 |
|||
|
80 |
0 |
10 |
2900 |
38,3 |
||
|
80 |
0 |
10 |
2700 |
30,4 |
||
|
80 |
10 |
10 |
3100 |
43,5 |
||
|
80 |
10 |
10 |
100 |
10,3 |
||
|
70 |
20 |
10 |
2100 |
37,2 |
||
|
70 |
20 |
10 |
2600 |
42 |
||
|
50 |
40 |
10 |
380 |
40 |
||
|
50 |
40 |
10 |
3 |
5 |
||
Таблица 2
|
Состав смеси. в % |
Механические характеристики |
|||||
|
Цемент |
Отсев |
песок |
РШ (грубый) |
РШ (мелкий) |
R еж кг·с/см2 |
R изг кг·с/см2 |
|
80 |
10 |
- |
10 |
200 |
26 |
|
|
85 |
- |
5 |
10 |
1540 |
40 |
|
|
5 |
5 |
- |
10 |
1500 |
9 |
|
|
0 |
- |
0 |
- |
10 |
600 |
10 |
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ С ДОБАВЛЕНИЕМ РШ
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ С ДОБАВЛЕНИЕМ РШ
Далее образцы формовали из пластической массы рисовой шелухи, полученной с использованием кавитации, с добавлением цемента. Результаты проведённых испытаний представлены в Таблице 3.
СОСТАВ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА И ПЛАСТИЧЕСКОЙ МАССЫ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ
Таблица 3
|
Состав композита |
Физико-технические характеристики |
||||
|
Цемент, % |
Пластическая масса из РШ, % |
Плотность, кг/м3 |
Водопоглошение, % |
Прочность на сжатие, R сж , МПа |
Прочность на изгиб, R из, МПа |
|
90 |
10 |
1580 |
18,18 |
9,80 |
0,96 |
|
80 |
20 |
1440 |
29 |
9,80 |
0,98 |
|
70 |
30 |
1352 |
34 |
2,94 |
0,78 |
Результаты, приведённые в таблице 3, также показывают, что оптимальное содержание добавки рисовой шелухи (РШ) в цементной композиции составляет 10%, при этом наблюдается наибольшее водопоглощение.
Полученную грубую массу рисовой шелухи после обработки в гидрокавитаторе первоначально высушивали в сушильном шкафу при температуре 105°C, после чего подвергали обжигу в муфельной печи при температуре 900°C в течение 45 мин в открытом режиме.
Полученную золу рисовой шелухи вводили в состав цементной композиции и перемешивали с водой, оставшейся после гидрокавитации. Данная вода содержит около 9,6% мелкодисперсных частиц и органических водорастворимых компонентов РШ.
Образцы формовали в специальных формах, а испытания проводили после 28 суток выдерживания. Результаты испытаний представлены в таблице 4.
Таблица 4
СОСТАВ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА И ЗОЛЫ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ
Состав композита Физико-технические характеристики
|
Цемент, % |
Золы из РШ, % |
Плотность, кг/м3 |
Водопоглошение, % |
Прочность на сжатие, R сж , МПа |
Прочность на изгиб, R из, МПа |
|
95 |
5 |
1540 |
18,56 |
264,77 |
2,55 |
|
90 |
10 |
1400 |
20 |
284,39 |
3,75 |
|
70 |
30 |
1080 |
29 |
50,008 |
0,16 |
|
80 |
20 |
1200 |
23,75 |
25,96 |
0,29 |
Выводы
В результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
-
1. Установлено, что оптимальное содержание добавки рисовой шелухи (РШ) в цементной композиции составляет 10%. При этом наблюдается увеличение водопоглощения, что обусловлено формированием более пористой структуры материала;
-
2. Добавление золы рисовой шелухи, полученной после гидрокавитации и последующего пиролиза, приводит к значительному улучшению физико-механических свойств цементной композиции и снижению водопоглощения материала;
-
3. Оптимальный состав цементной композиции включает: портландцемент — 90%, золу РШ — 10%. При этом материал характеризуется следующими показателями: плотность — 1400 кг/м³; водопоглощение — 20%; прочность на сжатие — 28,4 МПа; прочность на изгиб — 3,75 МПа.
