Магнезиальное вяжущее
Владельцы патента RU 2404144:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для получения прочного и водостойкого вяжущего и изделий на его основе. Магнезиальное вяжущее содержит, мас.%: порошок каустического магнезита MgO - 60-75, жидкость затворения - водный раствор бикарбоната магния Mg(HCO3)2 - 25-40. Технический результат - повышение водостойкости при сохранении прочности, возможность использования лежалого каустического магнезита и перевод магнезиальных цементов в группу гидравлических вяжущих. 1 табл.
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для получения магнезиального вяжущего и различных изделий на его основе.
Известен состав магнезиального вяжущего, содержащий каустический магнезит (17,4-25%), хлорид магния (2,5-5,0%) и карбонат кальция (0,1-4,0%). В этом составе водный раствор хлорида магния является жидкостью затворения, а весьма малое количество в смеси хлорида магния и каустического магнезита, являющихся основными компонентами магнезиальных вяжущих, не позволяют получать прочные изделия. (А.с. №1756298, МКИ С04В 9/00, 1992). Известны также аналогичные составы, содержащие помимо основных компонентов, тремолит и карбонат кальция (А.с. №1807026, МКИ С04В 9/00, 1992) или тонкомолотый (Syд=510-700 м2/кг) диопсид. (Патент РФ №2306284, МКИ С04В 9/00, 2007). Последний состав обеспечивает получение прочных изделий только при использовании высокодисперсного диопсида.
Наиболее близким по сути к предлагаемому составу является магнезиальное вяжущее, в котором каустический магнезит, или оксид магния, затворяется водными растворами хлорида магния или сульфата магния. При затворении хлоридом магния состав содержит 62-67% MgO и 33-38% MgCl2·6H2O, а при затворении сульфатом магния состав содержит 80-84% MgO и 16-20% MgSO4 (Ю.М.Бутт, М.М.Сычев, В.В.Тимашев. Химическая технология вяжущих материалов. - М.: Высшая школа, 1980, с.54-59; А.В.Волженский. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат, 1986, с.121-126).
Основными недостатками этого состава (прототип) является низкая водостойкость, оцениваемая коэффициентом водостойкости в пределах 0,1-0,3, необходимость использования свежеобожженого магнезита (MgO) для получения цементного камня с прочностью 30-50 МПа в возрасте 28 суток при воздушном твердении при относительной влажности воздуха менее 60%.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение водостойкости изделий за счет образования продуктов гидратации магнезиального вяжущего, обладающих предельно малой растворимостью в воде и обеспечивающих формирование структуры изделий с прочностью, не уступающей прочности изделий известного состава.
Поставленная задача достигается тем, что порошок каустического магнезита или магнезиального цемента (MgO) затворяется водным раствором бикарбоната магния Mg(HCO3)2 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Каустический магнезит | 60-75 |
| Водный раствор бикарбоната магния | 25-40 |
При взаимодействии каустического магнезита (MgO) с водным раствором бикарбоната магния сначала протекает реакция гидратации:
Образовавшийся гиброоксид магния далее взаимодействует с бикарбонатом магния по реакции:
с образованием гидрата гидроксокарбоната магния и диоксида углерода, который вступая во взаимодействие с гидрооксидом магния, образует вторичный бикарбонат магния:
Вторичный бикарбонат магния вновь взаимодействует с гидрооксидом магния по реакции (2) с образованием новой порции гидрата гидроксокарбоната магния, который вместе с гидрооксидом магния образует первичные продукты гидратации магнезиального цемента, обеспечивающие его твердение в процессе перекристаллизации первичных коллоидных продуктов в стабильное кристаллическое состояние.
Таким образом, в результате последовательного и циклического протекания реакций (1, 2, 3) в цементном камне образуются две основные кристаллические фазы - гидрооксид магния и гидрат гидроксокарбоната магния, количественное соотношение между которыми предопределяется содержанием бикарбоната магния в жидкости затворения.
В отличие от известного состава, в котором конечными продуктами гидратации вяжущего являются гидрооксид магния и тригидроксихлорид магния 3Mg(OH)2·MgCl2·7H2O или тригидроксисульфат магния 3Mg(OH)2·MgSO4·8H2O в предлагаемом составе образуются, в основном, гидрооксид магния и гидрат гидроксокарбоната магния, обладающие весьма малой растворимостью в воде (Краткий справочник по химии. - Киев: Наукова думка, 1974, с.156-159).
Наличие в затвердевшем цементном камне известного состава гидроксихлоридов или гидроксисульфатов магния, обладающих значительной растворимостью в воде, обусловливает низкую водостойкость таких вяжущих. Отсутствие растворимых соединений в цементном камне из вяжущего предлагаемого состава предопределяет его повышенную водостойкость с коэффициентом водостойкости 1,1-1,4, и такой цементный камень твердеет с увеличением прочности не только в воздушной среде с относительной влажностью более 75%, но и в воде после предварительного твердения на воздухе в течение 3-7 суток.
Существенным преимуществом предлагаемого вяжущего является возможность использования порошка лежалого каустического магнезита с содержанием активного оксида магния 40-80%. В известном составе необходимо использовать магнезит с содержанием активного MgO не менее 85%.
Порошок лежалого каустического магнезита может содержать в своем составе кроме MgO также Mg(OH)2 и MgCO3, образующихся при взаимодействии MgO с влагой и углекислотой воздуха. Примеси Mg(OH)2 и MgCO3 в предлагаемом составе не снижают активности взаимодействия порошка лежалого магнезита с раствором бикарбоната магния, так как взаимодействие Mg(OH)2 с бикарбонатом магния протекает по реакциям (2, 3), a MgCO3 взаимодействует с диоксидом углерода, образующимся при протекании реакции (2), по реакции:
и получаемый бикарбонат магния по реакции (4) взаимодействует с Mg(OH)2 по реакции (2).
Используют раствор бикарбоната магния различных концентраций.
Пример конкретного исполнения.
Для получения магнезиального вяжущего использовались свежеобожженный каустический магнезит с содержанием активного MgO - 88% (магнезит-1), лежалый магнезит с содержанием MgO - 53,9%, Mg(OH)2 - 34,1% (магнезит-2) и лежалый магнезит с содержанием MgO - 38,7%, Mg(OH)2 - 40,3% и MgCO3 - 21,0% (магнезит-3). Удельная поверхность магнезитовых порошков составляла 350 м2/кг, остаток на сите №008 - 9,2%.
Водный раствор бикарбоната магния готовится путем растворения в течение 10 мин магнезита-3 в воде при давлении углекислого газа в автоклаве 0,5-1,0 МПа.
В водной суспензии магнезита-3 при контакте с углекислым газом протекают реакции:
После обработки в автоклаве с мешалкой водный раствор содержал 150 г/л Mg(HCO3)2 (пример 1), 35 г/л (пример 2) и 100 г/л (пример 3).
При изготовлении образцов к исходному магнезиту приливали раствор Mg(HCO3)2 в ранее указанном количестве до получения пластичного теста нормальной густоты, из которого формовали образцы размером 2×2×2 см. После суточного твердения на воздухе образцы извлекались из форм и после 3-суточного твердения в воздушной среде часть образцов помещалась в эксикатор над водой, часть образцов помещалась в воду, а часть образцов продолжала твердеть на воздухе. Через 28 суток твердения у образцов определялся предел прочности при сжатии, и результаты определений представлены в таблице. Коэффициент водостойкости определялся по отношению прочности при сжатии образцов, твердевших в воде, к прочности образцов, твердевших на воздухе.
В этой же таблице представлены результаты определений прочности и водостойкости образцов, полученных затворением магнезита-1 раствором MgCl2 и взятых в соотношении по прототипу.
Анализ данных таблицы показывает, что затворение каустического магнезита водным раствором бикарбоната магния позволяет получать изделия на основе магнезиального вяжущего с прочностью, не уступающей прочности изделий, изготовленных из вяжущего по прототипу. Высокая водостойкость изделий из вяжущих предлагаемого состава обусловлена принципиально новым составом малорастворимых продуктов гидратации, образующихся при твердении как в воздушной, так и в водной среде. Низкая водостойкость изделий из вяжущих известного состава обусловлена повышенной растворимостью в воде тригидроксихлорида магния, являющегося основной составляющей продуктов гидратации этого вяжущего.
Таким образом, использование принципиально новой жидкости затворения в предлагаемом составе обеспечивает получение прочных и водостойких изделий и позволяет перевести магнезиальные вяжущие вещества из группы воздушных вяжущих в группу гидравлических вяжущих веществ, которые, как и портландцемент, найдут широкое применение при производстве различных строительных изделий.
| Таблица | ||||||
| Магнезиальное вяжущее | ||||||
| Пример | Состав вяжущего, мас.% | Условия твердения | Предел прочности при сжатии, МПа (28 сут) | Коэффициент водостойкости | ||
| Каустический магнезит | Количество | Раствор Mg(HCO3)2 | ||||
| 1 | Магнезит-1 | 60 | 40 | воздушная среда | 46,2 | |
| 2 | Магнезит-2 | 75 | 25 | 41,8 | ||
| 3 | Магнезит-3 | 70 | 30 | 44,5 | ||
| 4 | Магнезит-1 | 60 | 40 | Воздушно-влажная среда в эксикаторе | 35,3 | |
| 5 | Магнезит-2 | 75 | 25 | 31,5 | ||
| 6 | Магнезит-3 | 70 | 30 | 32,7 | ||
| 7 | Магнезит-1 | 60 | 40 | Водная среда | 64,6 | 1,40 |
| 8 | Магнезит-2 | 75 | 25 | 47,6 | 1,14 | |
| 9 | Магнезит-3 | 70 | 30 | 52,2 | 1,17 | |
| 10 | Магнезит-1 (MgO) | 65 | MgCl2·6H2O 35 | Воздушная среда | 55,4 | |
| 11 | Магнезит-1 (MgO) | 65 | MgCl2·6H2O 35 | Воздушная, затем водная среда | 18,3 | 0,33 |
Магнезиальное вяжущее, содержащее порошок каустического магнезита MgO и жидкость затворения, отличающееся тем, что в состав вяжущего в качестве жидкости затворения входит водный раствор бикарбоната магния Mg(HCO3)2 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| каустический магнезит | 60-75 |
| водный раствор бикарбоната магния | 25-40 |
