Использование сырья растительного происхождения для получения эффективных органических модификаторов коррозионностойких строительных вяжущих веществ на примере строительного гипса

К вяжущим веществам относятся материалы в форме порошков, которые в результате соединения с водой и различного рода наполнителями образуют пластическую массу. Полученная масса в последующем переходит в камнеобразное состояние, скрепляя содержащиеся элементы наполнителя. Благодаря данному качеству вяжущие вещества широко используются для производства коррозионностойких строительных материалов различных типов [1].

Современная классификация вяжущих веществ включает в себя две группы:

Минеральные вяжущие. Это неорганические вещества в виде порошка, которые после соединения с водой или соленым раствором образуют пластическое тело, затвердевающее и образующее монолит в последующем. Здесь выделяют следующие группы: воздушные, гидравлические, кислотостойкие, автоклавные. Гипс относится к первой группе минеральных коррозионностойких вяжущих материалов для строительства [2].

Органические вяжущие. Это смеси углеводородов с высокомолекулярной структурой. Являются материалами с жидкой или вязкой консистенцией, переходящими в рабочую фазу после соединения с органическими источниками или повыше- ния/понижения температуры. Основными органическими коррозионностойкими вяжущими веществами для строительства данной категории являются дегти [2].

С целью регулирования основных свойств и параметров минеральных коррозионностойких строительных вяжущих веществ их используют вместе с органическими модификаторами. Большая часть современных модификаторов имеют растительную основу, для их производства используются отходы химической переработки леса при изготовлении бумаги, целлюлозных и прочих материалов [3]. По состоянию на 2020 год большая часть эффективных модификаторов является сырьем иностранного производства. Разработка органических модификаторов коррозионностойких строительных вяжущих веществ, показывающих хорошие результаты, из сырья растительного происхождения, произрастающего на территории Российской Федерации, позволит покрыть потребность современной индустрии строительства в высококачественных и выгодных по стоимости коррозионностойких строительных вяжущих веществах.

По данным Botanical Gardens Conservation International (BGCI) за 2018 год на территории РФ произрастает 205 видов деревьев. По оценкам

ООН, РФ находится на первом месте в мире по количеству произрастающих деревьев. В результате использования древесины при изготовлении изделий или стройматериалов обязательно образуются отходы, зачастую далее не использующиеся. В настоящее время нет сферы промышленного использования отходов рисоводства, а также хлопчатника и камыша.

При широком разнообразии произрастающих видов растений их состав можно охарактеризовать двумя основными группами соединений: высокомолекулярные и низкомолекулярные. В первую группу входят гемицеллюлоза, лигнин, целлюлоза. Во вторую группу входят соединения фенола (ароматические), спирты и ряд неорганических веществ, которые состоят из таких химических элементов, как кальций, калий, кремний, магний и так далее (перечисленные элементы определяют зольность). Содержание перечисленных веществ может варьироваться. Одни авторы приводят сведения, что камышовые стебли содержат до 43,49 % целлюлозы, 24,43 % лигнина и 21,48 % пентазанов [4]. В других источниках приводятся данные, что илийский камыш содержит от 2,99 до 5,31 % водорастворимых углеводов, от 23,73 до 28,47 % гемицеллюлозы, от 0,72 до 1,13 % воска, от 25,92 до 30,92 % целлюлозы, от 25,43 до 28,05 % лигнина, от 7,69 до 8,98 % золы [5]. Есть также ряд других исследований, приводящих состав растений [6– 14]. Сравнение и изучение растительных составов сырья, произрастающего на территории РФ, приведенного в исследованиях, продемонстрировали, что перечисленные ранее вещества могут стать сырьем для производства эффективных органических модификаторов. Исследования, проведенные ранее учеными из Таджикистана, подтверждают данное предположение [15, 16]. Определение химического состава растительного сырья дает возможность использовать его для получения специализированных модификаторов с различным уровнем эффективности модификации характеристик вяжущих веществ.

Цель. Доказать положительный эффект применения веществ, эстрагированных из сырья растительного происхождения, как модификаторов коррозионностойких строительных вяжущих веществ. Определить вид сырья растительного происхождения, дающий максимальный результат при получении органических модификаторов коррозионностойких строительных вяжущих веществ на примере строительного гипса.

Материалы и методы

Из растительного сырья, произрастающего на территории Российской Федерации, были выбраны опилки тополя; листья и стебли камыша; кожура, стебли и листья хлопчатника. Кинетика процесса экстракции растворимых веществ перечисленного сырья исследовалась с помощью аппарата Сокслета, в котором водные, кислотные и щелочные растворы с изучаемым сырьем доводились до температуры полного выделения необходимых веществ. Далее оценивалось влияние на показатели и характеристики гипса строительного полученных веществ в разных количествах.

Результаты

В табл. 1 представлены результаты кинетических зависимостей полученного выхода веществ в результате экстракции от времени и используемого растворителя. Определение времени экстракции осуществлялось в момент, когда скорость экстрагирования приобретала нулевое значение.

Данные табл. 1 демонстрируют, что максимальный выход веществ дают стебли и листья камыша, на втором месте – стебли и листья хлопчатника, на третьем месте – опилки тополя. Экстракция растворителем 0,1н H2SO4 для первого вида сырья дает наилучший результат как по получаемому выходу, так и по необходимому для этого времени. Оценка сведений, представленных в табл. 1, имеет особую важность для определения себестоимости конечного продукта и расчёта энергоемкости самого процесса экстракции.

Таблица 1

Основные показатели экстракции веществ для производства органических модификаторов на базе растительного сырья

№	Вид растительного сырья	Использующийся растворитель	Время экстракции, ч	Выход экстрагируемых веществ, %
1	Стебли и листья камыша	Н 2 О	8,6	36,1
		0,1н H 2 SO 4	7,6	37,1
		0,1н КОН	9,1	65,4
2	Стебли и листья хлопчатника	Н 2 О	7	14,1
		HCl	8	12,2
		0.01н КОН	11,5	15,18
		0.1н КОН	9,28	18,28
3	Опилки тополя	Н 2 О	5,12	7,2
		HCl	3,29	5,83
		0.01н КОН	5,39	9,26
		0.1н КОН	6,49	9,53

Использование сырья растительного происхождения для получения эффективных органических модификаторов…

В табл. 2 представлены обобщенные показатели влияния на главные характеристики строительного материала экстрагированных веществ из отобранного растительного сырья, произрастающего на территории Российской Федерации. Во втором столбце используются следующие сокращения:

ЩЭОТ – экстракт опилок тополя щелочной.

КЭОТ – экстракт опилок тополя кислотный.

ВЭОТ – экстракт опилок тополя водный.

ЩЭСЛХ – экстракт стеблей и листьев хлопчатника щелочной.

КЭСЛХ – экстракт стеблей и листьев хлопчатника кислотный.

ВЭСЛХ – экстракт стеблей и листьев хлопчатника водный.

ЩЭСЛК – экстракт стеблей и листьев камыша щелочной.

КЭСЛК – экстракт стеблей и листьев камыша кислотный.

ВЭСЛК – экстракт стеблей и листьев камыша водный.

Анализ и оценка результатов, приведённых в табл. 2, демонстрируют, что экстракты всех видов, которые были получены в ходе выполнения данного эксперимента, отказывают влияние на изме- нение в той или иной степени первоначальных строительно-технических характеристик рассматриваемого вяжущего вещества. Расходы экстрагированных веществ относительного совокупного расхода вяжущего строительного веществ незначительные, при этом ими оказывается значительное влияние на изменения характеристик и свойств.

Щелочной, кислотный и водный экстракты стеблей и листьев камыша увеличивают сроки схватывания теста гипса, замедляя длительность данного процесса в зависимости от используемой концентрации примеси в составе от 4 до 7 раз. При использовании щелочного, кислотного и водного экстрактов опилок тополя сроки схватывания гипсового теста возрастают в 1,2–2,5 раза.

Снижение скорости и увеличение длительности схватывания теста гипса в результате применения органических модификаторов увеличивает прочность гипсового камня. Увеличение прочности строительного материала с содержанием ЩЭСЛК, КЭСЛК или ВЭСЛЛ относительно состава без примесей варьируется до 21 % при сжатии и от 3 до 43 % при изгибе. Эффект замедления процесса схватывания при наличии примеси экстрагированных из стеблей и листьев хлопчатника

Таблица 2

Свойства строительного гипса без и с полученными экстрактами из стеблей и листьев хлопчатника, стеблей и листьев камыша, опилок тополя

№ Вид экстракта Состав строительного гипса (%) Длительность схватывания (мин) Прочность готового материала через 24 ч (МПа) сз а н о m S и сЗ сЗ § о t^ о сЗ к Д' К о ^ о к к н к 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Без экстракта 100 – 20 40 3,8 9,5 2 ВЭСЛК 100 0,05–0,6 30–139 46–154 3,8–4,5 9,3–10,4 3 КЭСЛК 100 0,05–0,6 34–141 47–152 3,8–5,4 8,3–11,0 4 ЩЭСЛК 100 0,05–0,6 27–99 42–112 3,8–4,9 9,4–11,3 5 ВЭСЛХ 100 0,03–0,1 25–37 34–51 4,5–5,3 13,6–15,3 6 КЭСЛХ 100 0,03–0,1 33–66 41–73 4,6–5,0 14,2–14,8 7 ЩЭСЛХ 100 0,03–0,1 47–52 60–64 3,8–3,4 12,9–15,9 8 ВЭОТ 100 0,03–0,1 30–37 40–49 4,8–5,1 12,4–13,3 9 КЭОТ 100 0,03–0,1 38–38 40–49 3,2–4,5 8,2–10,5 10 ЩЭОТ 100 0,03–0,1 33–51 44–60 4,5–5,7 11,6–14,2 веществ выражен менее сильно относительно примесей экстрактов из стеблей и листьев камыша, однако их упрочняющий эффект выражен сильнее. Увеличение прочности гипсового камня с модификаторами, полученными из листьев и стеблей хлопчатника, относительно материала без примесей, доходит до 63 % при сжатии и до 40,6 % при изгибе. Применение ВЭОТ, КЭОТ и ЩЭОТ обеспечивает увеличение прочности на 50 %.

Выводы

На основании полученных результатов, которые приведены в табл. 1 и табл. 2, можно сделать вывод о наличии перспективы применения полученных экстрактов растительного сырья, произрастающего на территории Российской Федерации, для производства гипсовых смесей коррозионностойкого строительного вяжущего вещества с модификаторами, что обеспечит получение высокопрочного гипсового камня.

Проведенное исследование продемонстрировало возможность использования сырья растительного происхождения для получения эффективных органических модификаторов коррозионностойких строительных вяжущих веществ на примере строительного гипса. Это позволит существенно повысить качество и улучшить основные характеристики и свойства современных вяжущих веществ. Рассмотренные в работе модификаторы имеют в перспективе широкую область применения и могут использоваться при производстве строительных смесей сухого типа, так как обеспечивают оптимизацию ряда свойств в соответствии с требованиями технологии строительных работ, в зависимости от количественного содержания.