Магнезиальный цемент и способ его получения

Изобретение относится к области магнезиальных вяжущих и может быть использовано при производстве строительных материалов, в том числе бетонов с органическими наполнителями. Для получения магнезиального цемента готовят синтетический сульфат магния MgSO₄·7H₂O химическим взаимодействием водной суспензии тонкоизмельченного магнезита MgCO₃ или каустического магнезита MgO, приготовленной из расчета твердое:жидкое = 1:1, с серной кислотой плотностью не ниже 1,6 г/см³ до полной нейтрализации жидкой фазы суспензии до рН-7 с последующей выпаркой и кристаллизацией MgSO₄·7H₂O. Полученный сульфат магния смешивают с каустическим магнезитом при следующем соотношении компонентов, мас.%: каустический магнезит - 66-72, указанный сульфат магния - 28-34. Технический результат - создание магнезиального цемента, представляющего сухую смесь компонентов, которую возможно хранить неограниченно долго, транспортировать на любые расстояния, готовность к употреблению которой возникает сразу после затворения обычной водой. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области магнезиальных вяжущих веществ и может быть использовано при производстве строительных материалов различного назначения, в том числе бетонов с органическими наполнителями.

Известны магнезиальные вяжущие (Ю.М.Бутт и др. Химическая технология вяжущих материалов. Высшая школа. М., 1980, стр.54...59), представляющие собой композиции из порошка каустического магнезита MgO и водных растворов хлоридов или сульфатов магния.

Способ получения известного вяжущего включает операцию смешивания каустического магнезита с водным раствором сульфатов и хлоридов магния.

Недостатком известных композиций является то, что готовить магнезиальное вяжущее возможно только на месте его применения. Транспортировать известное вяжущее на значительные расстояния и хранить его возможно только при разделении компонентов: каустический порошок в одном месте, раствор солей в другом, что представляет технологические неудобства, ограничивающие сферу применения магнезиального вяжущего. Кроме этого, к недостаткам относится дефицит растворов солей магния, пригодных для получения магнезиального вяжущего.

Известно другое «Вяжущее» (А.С. SU №1685066, С04В 9/00), состоящее из: каустического магнезита 23...30%, основного доменного граншлака 0,1...36,4%, раствора хлорида магния 39,4...40%, ферромарганцевой пыли 1,2...30%.

Способ получения такого вяжущего включает операции: смешивание каустического магнезита с доменным граншлаком и ферромарганцевой пылью до однородного состояния; параллельное приготовление раствора «бишофита» путем растворения соли в воде с получением раствора плотностью 1,3 г/см³; смешивание сухих компонентов с раствором хлорида магния. Полученную литую смесь насосами подают к месту применения.

Недостатком известного «Вяжущего» является невозможность транспортирования на дальние расстояния и хранение более 2-х часов готового к употреблению вяжущего, что ограничивает возможности его применения и снижает коммерческую ценность. К тому же «бишофит», применяемый в известном вяжущем - дефицитен и дорог.

Известна композиция для изготовления строительных материалов (Патент RU №2079465, С04В 28/30, С04В 111/20), состоящая из магнезиального вяжущего (каустический магнезит) 24...60%, сульфата магния (эпсомит) 14...32%, наполнителя 5...34%, ПВА 0,3...0,57%, кремнийорганического гидрофобизатора 0,8...1,0%, водорастворимого сульфата, и/или хлорида железа, и/или алюминия 3...5%, вода остальное.

Способ получения известной композиции включает операции смешивания сухих компонентов с последующим добавлением смеси в жидкость затворения.

Такая композиция может в сухом виде транспортироваться на любые расстояния, т.к. используется только после затворения водой.

Недостатком известной композиции является использование сухого MgSO₄·7Н₂О (эпсомит) - природного вещества, распространенного только в местах испарения морской воды, что определяет его дефицитность. Сказанное можно подтвердить практическим примером. Так, в России единственным центром производства каустического магнезита является Южный Урал (г.Сатка), а ближайший источник эпсомита - Казахстан в районе Каспийского моря. Доставлять эпсомит за 2000 км и изготавливать «сухое» вяжущее - явно нерентабельно.

Известен также способ получения магнезиального цемента, включающий получение сульфата магния MgSO₄·7H₂O путем растворения каустического магнезита в серной кислоте и смешивания его с каустическим магнезитом (Ю.М.Бутт и др. Технология вяжущих веществ. Высшая школа. М., 1965, стр.80...86). Однако недостатком известного способа является невозможность получения сухой композиции магнезиального цемента с неограниченными сроками хранения и способностью транспортироваться на любые расстояния без ухудшения качества.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является композиция для изготовления строительных материалов (Патент RU 2079465) и способ получения магнезиального цемента, включающий получение сульфата магния MgSO₄·7Н₂О путем растворения каустического магнезита в серной кислоте и смешивания его с каустическим магнезитом (Ю.М.Бутт и др. Технология вяжущих веществ. Высшая школа. М., 1965, стр.80...86).

Цель изобретения - создание магнезиального цемента, представляющего сухую смесь компонентов, которую возможно хранить неограниченно долго, транспортировать на любые расстояния, готовность к употреблению которой возникает в момент затворения обычной водой.

Цель достигается тем, что в способе получения магнезиального цемента, включающем операции приготовления синтетического сульфата магния MgSO₄·7H₂O с использованием серной кислоты и смешивания полученного сульфата магния MgSO₄·7Н₂О с каустическим магнезитом, указанное приготовление сульфата магния осуществляют путем химического взаимодействия водной суспензии тонкоизмельченного магнезита MgCO₃ или каустического магнезита MgO, приготовленной из расчета твердое:жидкое = 1:1, с серной кислотой плотностью не ниже 1,6 г/см³ до полной нейтрализации жидкой фазы суспензии до рН-7 с последующей выпаркой и кристаллизацией MgSO₄·7H₂O, а указанное смешивание осуществляется при следующем соотношении компонентов, мас.%:

каустический магнезит	66-72
указанный сульфат магния	28-34

Цель достигается также тем, что магнезиальный цемент получен указанным способом.

Практическую реализацию изобретения и обоснование заявленных пределов покажем на примерах.

Пример 1.

Брали магнезит Верхотуровского месторождения Красноярского края и подвергали измельчению. Тонкость измельчения характеризовалась полным прохождением через сито 0,08 мм.

Готовили суспензию из магнезитового порошка и воды из расчета тв.:жид.=1:1.

Далее к суспензии при ее непрерывном перемешивании подливали серную кислоту плотностью 1,6 г/см³ (содержание H₂SO₄ 1120 г/л) до полной нейтрализации жидкой фазы суспензии. Плотность серной кислоты выбрана из практических соображений. При плотности, меньшей 1,6 г/см³, эффективность реакции резко падает, т.к. зерна MgCO₃ не успевают полностью прореагировать в связи с обволакиванием коллоидной массой новообразований. При плотности 1,6 г/см³ и более реакция протекает энергично, практически со 100%-ным выходом.

Между твердыми частицами суспензии (MgCO₃) и серной кислотой протекает реакция, описываемая стехиометрическим соотношением

MgCO₃+Н₂SO₄+nH₂О→MgSO₄+СО₂+(n+1)Н₂О.

Согласно реакции на 1 кг MgCO₃ требуется 1,17 кг H₂SO₄ или 1,04 л серной кислоты с плотностью 1,6 г/см³. При этом образуется 1,43 кг сульфата магния и 0,84 кг СО₂, который улетучивается. После завершения реакции, выпаривания и кристаллизации образуется семиводный кристаллогидрат MgSO₄·7Н₂О в количестве 2,93 кг.

Высушенный кристаллогидрат смешивается с каустическим магнезитом таким образом, чтобы его доля в магнезиальном цементе составляла 28...34%.

Готовый магнезиальный цемент затаривается в мешки и рассылается потребителям.

На объекте использования магнезиального цемента к нему добавляют наполнители, затворяют водой в количестве, обеспечивающем нормальную густоту смеси, и формуют изделия.

Для определения марочной прочности магнезиального цемента готовили образцы 5-ти составов, из них три состава внутри заявленных пределов, два состава вне этих пределов. Образцы готовили из теста нормальной густоты. Размер образцов-кубов 4×4×4 см. Предел прочности при сжатии определяли через 1, 3, 7, 28 суток и 3 мес.нормального твердения. Перед испытанием образцы сушили до постоянной массы при температуре 100...105°С. В эксперименте использовали каустический магнезит марки ПМК-75 (ГОСТ 1216-87)

В табл.1 представлены результаты испытаний.

Таблица 1
Прочность образцов из магнезиального цемента
Состав, №	Содержание компонентов в цементе, %	Предел прочности при сжатии, МПа, через
MgO	MgSO4·7H2O	1 сут	3 сут	7 сут	28 сут	3 мес
1	64	36	32,5	58,4	66,0	60,1	60,3
2	66	34	31,0	55,0	65,5	66,1	66,2
3	69	31	28,8	48,2	63,6	60,4	65,9
4	72	28	26,7	44,5	60,5	60,0	66,2
5	74	26	18,4	35,0	44,7	45,0	48,2

Из представленных в таблице 1 результатов следует, что марочная прочность магнезиального цемента с использованием каустического магнезита марки ПМК-75 наступает через 7 суток твердения и составляет 60 МПа. Дальнейшее твердение магнезиального цемента в заявленных пределах состава ведет к незначительному приросту механической прочности от 1 до 9% в трехмесячном возрасте.

Иная картина наблюдается при твердении магнезиального цемента за пределами заявленных составов. Так, если доля MgSO₄·7Н₂О в цементе больше предельного значения, то после достижения марочной прочности к 7 сут в дальнейшем камень теряет до 10% прочности, что объясняется усилением деформационных процессов «усыхания-набухания» при колебаниях влажности окружающей среды в связи с большим содержанием в камне кристаллогидратов.

Если же доля MgSO₄·7Н₂О в цементе меньше нижнего заявленного предела, то камень при твердении не набирает марочной прочности.

Таким образом, оптимальное содержание MgSO₄·7Н₂О в магнезиальном цементе лежит в пределах 28...34%.

Дальнейший анализ данных таблицы 1 показывает, что изменение доли MgSO₄·7Н₂О в заявленных пределах не ведет к изменению марочной прочности, но заметно влияет на скорость набора марочной прочности.

На размер марочной прочности оказывает существенное влияние марка каустического магнезита, что иллюстрируется данными таблицы 2, в которой представлены результаты испытаний образцов магнезиального цемента, приготовленного на каустическом магнезите марки ПМК-80.

Таблица 2
Прочность образцов из магнезиального цемента
Состав, №	Содержание компонентов в цементе, %	Предел прочности при сжатии, МПа, через
MgO	MgSO4·7H2O	1 сут	3 сут	7 сут	28 сут	3 мес
1	64	36	40,5	72,2	75,0	75,1	70,0
2	66	34	39,6	60,3	77,2	79,4	80,6
3	69	31	36,0	56,6	77,0	80,1	80,5
4	72	28	33,1	55,0	75,2	79,5	80,0
5	74	26	19,7	35,9	53,5	55,1	55,4

Пример 2.

Получение сульфата магния из каустического магнезита.

Брали каустический магнезит MgO, полученный обжигом Верхотуровского магнезита MgCO₃. Марка каустического магнезита ПМК-80, т.е. количество MgO_АКТ. не менее 80%.

После измельчения (100%-ный проход через сито 0,08 мм) и приготовления суспензии (тв. : жидк.=1:1) проводили реакцию с серной кислотой с плотностью 1,6 г/см³. Взаимодействие описывается следующим стехиометрическим уравнением:

MgO+H₂SO₄+nH₂О→MgSO₄+(n+1)Н₂О.

На 1 кг MgO требуется 2,45 кг H₂SO₄ или 2,19 л серной кислоты плотностью 1,6 г/см³. При этом образуется 3 кг MgSO₄. Количество кристаллогидрата MgSO₄·7H₂O после выпарки и кристаллизации - 6,15 кг. Количество полученного сульфата магния этим способом идентично первому примеру, поэтому на количестве магнезиального цемента не отражается, из чего (MgCO₃ или MgO) получен синтетический твердый MgSO₄·7Н₂О.

1. Способ получения магнезиального цемента, включающий операции приготовления синтетического сульфата магния MgSO₄·7H₂O с использованием серной кислоты и смешивания полученного сульфата магния MgSO₄·7H₂O с каустическим магнезитом, отличающийся тем, что указанное приготовление сульфата магния осуществляют путем химического взаимодействия водной суспензии тонкоизмельченного магнезита MgCO₃ или каустического магнезита MgO, приготовленной из расчета твердое:жидкое = 1:1, с серной кислотой плотностью не ниже 1,6 г/см³ до полной нейтрализации жидкой фазы суспензии до рН-7 с последующей выпаркой и кристаллизацией MgSO₄·7H₂O, а указанное смешивание осуществляют при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Каустический магнезит	66-72
Указанный сульфат магния	28-34

2. Магнезиальный цемент, полученный способом по п.1.