Использование рисовой соломы для увеличения прочностных характеристик гипсовых вяжущих веществ

Рис – один из самых ценных питательных продуктов в мире, он занимает второе место по площади посевов после пшеницы.

В процессе выращивания зерна риса образуется большое количество отходов в виде стеблей соломы. Так, с 1 гектара посевной площади получают 4 т риса, а тонна риса дает тонну соломы. Это означает, что с каждого гектара остается более 4 тонн соломы.

Сама рисовая солома представляет собой полый цилиндрический росток диаметром 4-8 мм, высотой от 50 до 150 см. С наружной стороны стебель покрыт жиро-восковым слоем в виде плотного инкрустированного кремния и не смачивающейся водой пленки. Подробный химический состав рисовой соломы приведен в таблице №1. 

Таблица 1.

Химический состав рисовой соломы

Характерная особенность рисовой соломы заключается в том, что ее органическое содержание на 80-90 % состоит из клетчатки и безазотистых веществ, соединенных в прочный лигнино-целлюлозный комплекс. Клетчатка соломы относится к линейным полимерам, гигантские молекулы которых имеют форму нитей, а крахмал - к глобулярным полимерам с молекулами, имеющими форму объемных трехмерных частиц.

Не было найдено экономического применения рисовой соломы ни в промышленной сфере, ни в качестве корма для скота. Дело в том, что составляющие вещества соломы слабо поддаются воздействию бактериальных ферментов желудочно-кишечного тракта животного и усвоение соломы организмом животных в силу особенностей химического состава идет медленнее, чем усвоение обычной пищи. Так же рисовая солома из-за чрезвычайно высокого содержания соединений кремния тяжело разлагается в почве, выделяя при этом токсичные для будущих посевов соединения.

Фермерские хозяйства, занимающиеся рисоводством, решают эту проблему просто: сжиганием. Ведь затраты только на сбор, тюкование и вывоз рисовой соломы в 2-3 раза выше затрат на уборку зерна.

Несмотря на все вышеизложенные факты, многие ученые из разных стран, в том числе и авторы данной работы, изучают возможные сферы применения данного отхода.

К примеру, в нашей стране ведутся научные работы по частичной замене асбестового волокна в асбестоцементных материалах целлюлозой, полученной из рисовой соломы [7].

В Индии недавно изобретён инновационный строительный материал на основе рисовой соломы. Данный кубический материал получается путем термической обработки смеси рисовой соломы со смолой, который можно использовать для строительства малоэтажных зданий [1].

Ведутся научные работы по созданию композиций каркасно-волокнистых теплоизоляционных плит строительного назначения на основе измельченной соломы и высокомодульных жидких стекол [2].

Также известны работы по разработке технологии производства эффективных изделий стеновой керамики на основе карбонато-содержащих суглинков с использованием рисовой соломы в качестве выгорающей добавки [3].

Недавно в Российской Федерации был разработан новый плиточный материал, состоящий на 60—99% из рисовой соломы. В настоящее время построен и успешно эксплуатируется ряд сельскохозяйственных опытных зданий с применением конструкций, изготовленных на основе данного материала. Изоляционные плиты имеют объемную массу до 500 кг/м³, а конструкционные — от 800 до 1300 кг/м³, что позволяет применять их в слоистых конструкциях и в качестве среднего изоляционного слоя, и в качестве обшивок.

Практика строительства домов из соломы издавна применялась на Украине, Канаде, Голландии, США и других странах. Например, в США интенсивное строительство домов из соломы началось в XIX веке и связано с изобретением парового пресса для укладки соломы в тюки и блоки.

Сегодня в Западной Европе существует государственная поддержка и заинтересованность в строительстве экодомов. Эта программа призвана уменьшить общее энергопотребление при изготовлении стройматериалов и эксплуатации малоэтажного жилья.

Аналоги современных домов из соломы и глины существовали еще в древние времена. Часть их сохранилась до наших дней – в засушливых регионах Азии и Африки можно встретить целые соломенные города. Совершенствование строительных технологий привело к повсеместному распространению глиняных зданий на территории Центральной Европы и России. Правильно построенные глиняные дома имеют более чем вековой срок эксплуатации и безопасны для жильцов.

Кирпич из глины и соломы является экологически чистым и с давних времен является самым распространенным строительным материалом в нашей стране. Они и по сей день довольно часто используется для возведения построек в сухом и жарком климате по всему миру. В качестве основы данных изделий выступает смесь из глины, соломы, песка и воды, которую хорошо вымешивают до получения однородной массы. Главным преимуществом такого кирпича является его низкая себестоимость. Именно поэтому данному материалу испокон веков отдавались предпочтения в деревнях и сёлах с низким уровнем проживания. Глиносоломенный кирпич обладает массой достоинств, в числе которых шумонепроницаемость, отличные теплоизоляционные свойства и огнестойкость, которая в сухом и жарком климате является, пожалуй, наиболее ценным качеством.

Также известны работы, где солома используется как наполнитель в составе строительных материалов[4-5]. Встречаются испытания гипсовых вяжущих веществ, затворённых с различными отварами из соломы. В эти отвары после фильтрования переходит незначительное количество органических веществ, действующих в качестве замедлителей схватывания. Такие отвары оказывались дорогими, потому и не получили большого распространения.

Известны материалы с прямым внесением в гипсовое тесто дроблённой пшеничной соломы. В данном случае получался строительный материал с плохой адгезией соломы с гипсом. Плохая адгезия объясняется наличием на поверхности стеблей пшеницы жиро-восковой защитной оболочки.

Авторами данной работы были предприняты меры по улучшению адгезивных свойств соломы с гипсовыми вяжущими веществами путем предварительной механохимической обработки рисовой соломы.

Для улучшения адгезии был использован простой метод, заключающийся в механическом дроблении рисовой соломы с последующей его варкой в щелочной среде. В результате которого наблюдалась частичная деструкция лигнина. Продукты делигнификации находящиеся в растворе, благодаря разнице электрических зарядов при взаимодействии с гипсовым вяжущим обеспечивали замедление схватывания гипса, а также придавали пластичность гипсовому тесту.

В отличие от вышеописанных отваров, в приводимом методе после варки соломы раствор не фильтровался, так как измельченная полупрозрачная солома играла роль армирующей добавки в гипсовом тесте. Раствор едкого натрия не только играл роль реагента растворяющего защитную оболочку соломы, но и выполнял роль делигнифицирующего агента.

Испытания проводились с тремя растворами. Первый из них (обозначим его через М₁) изготавливался таким образом: солома в количестве 100 гр измельчалась до размеров 20х4 мм и замачивалась в воде в двухлитровом объеме в течение двух часов; далее к отвару добавляли 10 гр твердого едкого натрия и раствор начинали кипятить; после 4 часового кипячения солома теряла свою твёрдость и раствор окрашивался в светло-коричневый цвет.

Второй раствор изготавливался аналогично первому, только без предварительного замачивания. Солома варилась полчаса, после чего охлаждалась. Раствор получился темно-коричневым (далее М₂), а сама солома сохранила твердость.

Третий раствор использовался как основной и изготавливался совсем по другой технологии. Измельченная рисовая солома в количестве 100 гр замачивалась в 2% ном растворе едкого натрия в течение суток, после чего объем раствора доводили до 3 литров водой и подвергли варке в течении часа. Светло-коричневая кашеобразная масса остужалась и использовалась в данном виде (далее М₃).

Варку производили при спокойном кипячении и перемешивании в металлическом котле. Емкость котла использовался на 70—75%.

Добавки смешивались с водой, затем в раствор добавляли гипс. В данном эксперименте для первых двух добавок использовался гипс марки Г-7 Б II, а для третьего отвара использовался гипс марки Г-5 А III производства ООО «FC TURON» расположенного в Ферганской области.

Прочность при изгибе образцов гипса с добавками оценивали по пределу прочности при изгибе стандартных балочек размером 4х4х16 см. Прочность на сжатие оценивали по пределу прочности при сжатии половинок балочек при помощи двух плоских стальных пластинок на прессе.

При изготовлении образцов отсеки формы наполняли одновременно. Для удаления вовлеченного воздуха после заливки гипсового теста форму встряхивали три раза при помощи механического вибраторам [6].

Ниже приводятся результаты физико-механических испытаний данных образцов.

Таблица 2.

Результаты испытания гипсового вяжущего с добавкой М₁

Таблица 3.

Результаты испытания гипсового вяжущего с добавкой М₂

Таблица 4.

Результаты испытания гипсового вяжущего с добавкой М₃

Рисунок 1. Зависимость прочностных характеристик полученного гипсового материала от концентрации добавки М₃

Рисунок 2. Зависимость прочностных характеристик полученного гипсового материала от концентрации добавки М₃

По приведенным данным видно, что, полученные добавки М₁ и М₂ никак не улучшают физические свойства гипсового вяжущего вещества, а добавка М₃ наоборот увеличивает его прочностные характеристики. Образцы №3 и №5 с добавками М₃ показывают увеличение прочности гипса в несколько раз. Внесение в состав гипсового вяжущего добавки М₃ в количестве от 2,5 до 5,5% благоприятно сказывается на его физико-механических свойствах, а увеличение количества добавки более 6% плохо сказывается на его прочностных качествах.