Цемент Сорель (также известный как магнезиальный цемент или оксихлорид магния ) - негидравлический цемент, впервые произведенный французским химиком Станисласом Сорелем в 1867 году. [1]
Фактически, в 1855 году, до работы с соединениями магния, Станислас Сорел впервые разработал двухкомпонентный цемент, смешав порошок оксида цинка с раствором хлорида цинка . [2] [3] За несколько минут он получил плотный материал тверже известняка.
Только десять лет спустя Сорель заменил цинк на магний в своей формуле, а также получил цемент с такими же благоприятными свойствами. Этот новый тип цемента был прочнее и эластичнее, чем портландцемент , и поэтому проявлял более эластичное поведение при воздействии ударов. Материал можно легко формовать, как гипс, когда он только что приготовлен, или обрабатывать на токарном станке после схватывания и затвердевания. Он был очень твердым, его можно было легко связать с различными типами материалов (хорошие адгезионные свойства) и окрашивать пигментами . Поэтому его использовали для изготовлениямозаики и имитировать мрамор . После смешивания с хлопком измельченного в виде порошка, он был также использован в качестве суррогатного материала для слоновой кости для изготовления шариков бильярдных , стойких к ударам. [4]
Цемент Сорель представляет собой смесь оксида магния (обожженной магнезии ) с хлоридом магния с приблизительной химической формулой Mg 4 Cl 2 (OH) 6 ( H 2 O ) 8 или MgCl 2 · 3Mg (OH) 2 · 8H 2 O, что соответствует с массовым отношением 2,5–3,5 частей MgO к одной части MgCl 2 . [5]
Совершенно неожиданно, гораздо позже другой химик, Чарльз А. Соррелл (1977, 1980), чья фамилия звучит очень похоже на фамилию Станислава Сореля, также изучил эту тему и опубликовал работы по тому же семейству оксихлоридных соединений на основе цинка и магний , как это сделал Сорель около 100 лет назад. Оксихлорид цинка цемент получают из оксида цинка и хлорид цинка вместо соединений магния. [6] [7]
Состав и структура
Набор цемента состоит в основном из смеси оксихлоридов магния и гидроксида магния в различных пропорциях, в зависимости от состава исходного цемента, время схватывания, а также других переменных. Основными стабильными оксихлоридами при температуре окружающей среды являются так называемые «фаза 3» и «фаза 5», формулы которых можно записать как 3 Mg (OH).
2· MgCl
2· 8 H
2O и 5 Mg (OH)
2· MgCl
2· 8 H
2O соответственно; или, что то же самое, Mg
2(ОЙ)
3Cl · 4 H
2O и Mg
3(ОЙ)
5Cl · 4 H
2O . [8]
Фаза 5 кристаллизуется в основном в виде длинных игл, которые фактически представляют собой свернутые листы. Эти переплетенные иглы придают цементу прочность. [9]
В долгосрочной перспективе оксихлориды поглощают углекислый газ CO и реагируют с ним.
2из воздуха с образованием хлоркарбонатов магния . [10]
История
Эти составы являются основными компонентами созревшего цемента Сорель, впервые приготовленного в 1867 году Станиславом Сорелем . [1]
В конце 19 века было предпринято несколько попыток определить состав затвердевшего цемента Сореля, но результаты не были окончательными. [11] [12] [13] [14] Фаза 3 была должным образом изолирована и описана Робинсоном и Ваггаманом (1909), [11], а фаза 5 была идентифицирована Люкенсом (1932). [15]
Характеристики
Цемент Sorel может выдерживать сжимающую силу 10 000–12 000 фунтов на квадратный дюйм (69–83 МПа), тогда как стандартный портландцемент обычно выдерживает только 7 000–8 000 фунтов на квадратный дюйм (48–55 МПа). Он также обеспечивает высокую прочность за более короткое время. [16]
Цемент Sorel обладает замечательной способностью связываться с другими материалами и удерживать их. Он также демонстрирует некоторую эластичность , интересное свойство, повышающее его способность противостоять ударам (лучшая механическая устойчивость ), что особенно полезно для бильярдных шаров .
Поровый раствор влажного цемента Sorel является слабощелочным ( pH 8,5–9,5), но значительно менее щелочным, чем раствор портландцемента (сверхщелочные условия: pH 12,5–13,5). [17]
Другие различия между цементами на основе магния и портландцементом включают водопроницаемость, сохранение веществ растений и животных и коррозию металлов. [18] Эти различия делают подходящими различные строительные конструкции. [19]
Продолжительное воздействие воды на цемент Sorel приводит к вымыванию растворимого MgCl.
2, оставляя гидратированный брусит Mg (OH)
2как связывающая фаза, которая без поглощения CO
2, может привести к потере прочности. [17]
Наполнители и арматура
При использовании цемент Sorel обычно сочетается с такими наполнителями, как гравий, песок, мраморная мука, асбест, древесные частицы и вспученные глины. [20]
Цемент Sorel несовместим со стальной арматурой, потому что присутствие хлорид-ионов в поровом растворе и низкая щелочность (pH <9) цемента способствуют коррозии стали ( точечной коррозии ). [17] Однако низкая щелочность делает его более совместимым со стекловолокном . [20] Он также лучше портландцемента в качестве связующего для древесных композитов , поскольку его схватывание не замедляется лигнином и другими химическими веществами для древесины. [20]
Устойчивость цемента к воде можно улучшить с помощью таких добавок, как фосфорная кислота , растворимые фосфаты , летучая зола или кремнезем . [17]
Использует
Цемент на основе оксихлорида магния используется для изготовления напольной плитки и промышленных полов , противопожарной защиты , стеновых изоляционных панелей и в качестве связующего для шлифовальных кругов . [20] Из-за своего сходства с мрамором , он также используется для изготовления искусственных камней , [20] искусственной слоновой кости (например, для бильярдных шаров ) и других подобных целей.
Сорель цемент также изучается в качестве кандидата материалов для химических буферов и инженерно - технических барьеров (дрейф уплотнения из соленого бетона ) для глубоких геологических хранилищ в высокоактивных ядерных отходов в соляных горных пород ( по изоляции отходов опытно - экспериментальный завод (Wipp) в Нью - Мексико , США; соляная шахта Ассе II , Горлебен и Морслебен в Германии). [21] [22] [23] Фаза 5 оксихлорида магния может быть полезным дополнением или заменой для MgO ( периклаза ), который в настоящее время используется в качестве CO
2геттер в камерах удаление WIPP , чтобы ограничить растворимость в младших актинидах карбонатных комплексов, при установлении умеренно щелочные условий (рН 8,5-9,5) до сих пор , совместимых с невозмущенными геохимическими условиями изначально преобладающими на месте в солевых образованиях. Гораздо более растворимые оксид и гидроксид кальция ( портландит ) не разрешены к использованию в WIPP (Нью-Мексико), поскольку они создают слишком высокий pH (12,5). Как Mg2+
является вторым по распространенности катионом в морской воде после Na+
и что соединения магния менее растворимы, чем соединения кальция, буферные материалы на основе магния и цемент Сорель считаются более подходящими материалами обратной засыпки для захоронения радиоактивных отходов в глубоких солевых образованиях, чем обычные цементы на основе кальция ( портландцемент и их производные). Более того, поскольку гидроксихлорид магния также является возможным буфером pH в морских эвапоритовых рассолах , ожидается, что цемент Сорель будет меньше нарушать начальные условия на месте, преобладающие в глубинных соляных пластах. [24]
Подготовка
Цемент Сорель обычно получают путем смешивания мелкоизмельченного порошка MgO с концентрированным раствором MgCl.
2. [17]
Теоретически ингредиенты должны быть объединены в молярных пропорциях фазы 5, которая имеет наилучшие механические свойства. Однако химические реакции, которые создают оксихлориды, могут не завершиться, оставляя непрореагировавшие частицы MgO и / или MgCl.
2в поровом растворе. Хотя первые действуют как инертный наполнитель, остатки хлорида нежелательны, поскольку они вызывают коррозию стали при контакте с цементом. Также может потребоваться избыток воды для достижения приемлемой консистенции. Поэтому на практике пропорции оксида магния и воды в исходной смеси выше, чем в чистой фазе 5. [20] В одном исследовании лучшие механические свойства были получены при молярном соотношении MgO : MgCl.
213: 1 (вместо стехиометрии 5: 1). [20]
Производство
Периклаз (MgO) и магнезит ( MgCO
3) не являются обильным сырьем, поэтому их производство в цемент Sorel является дорогостоящим и ограничивается специализированными нишевыми приложениями, требующими небольших количеств материалов. Китай является доминирующим поставщиком сырья для производства оксида магния и его производных. [ необходима цитата ] « Зеленые цементы » на основе магния, полученные из более распространенного доломита ( (Ca, Mg) (CO
3)
2) отложения ( долостон ), но также содержащие 50 мас. % карбоната кальция , не следует путать с исходным цементом Sorel, поскольку он не содержит оксида кальция . Действительно, цемент Sorel представляет собой чистый оксихлорид магния .
Смотрите также
- Связующее (материал)
- Оксихлорид магния
- Соль Фриделя
- Соль-бетон
- Периклаз (MgO)
Рекомендации
- ^ a b Сорель Станислав (1867 г.). " Sur un nouveau ciment magnésien ". Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences , том 65, страницы 102–104.
- ↑ Сорел Станислас (1856). Procédé pour la Forming d'un ciment très-solide par l'action d'un chlorure sur l'oxyde de zinc. Bulletin de la Société d'Encouragement pour l'Industrie Nationale, 55 , 51–53.
- ^ Сушу, Филипп (2012-04-18). «Цемент Сорель» . Документальный сайт дю Лерм . Проверено 8 июля 2020 .
- ^ Шевалье, Мишель (1868). «Exposition Universelle de 1867 à Paris. Rapports du Jury International, Tome dixième, Groupe VI, Arts Usuels - Class 65 - Section I, Chapitre 3 - Matériaux artificiels, § 5 - Ciment d'oxychlorure de magnésium, 80–83» . archive.org/ . Imprimerie Administrative de Paul Dupont, Париж . Проверено 8 июля 2020 .
- ^ Holleman, AF; Виберг, Э. (2001). "Неорганическая химия". Academic Press, Сан-Диего. ISBN 0-12-352651-5 .
- ^ Соррелл, Чарльз А. (1977). «Предлагаемый химический состав цементов на основе оксихлорида цинка». Журнал Американского керамического общества . 60 (5–6): 217–220. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1977.tb14109.x . ISSN 0002-7820 .
- ^ Урвонгсе, Ладаван; Соррелл, Чарльз А. (1980). «Система MgO-MgCl 2 -H 2 O при 23 ° C». Журнал Американского керамического общества . 63 (9–10): 501–504. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1980.tb10752.x . ISSN 0002-7820 .
- ^ Исао Kanesaka и Shin Aoyama (2001). «Колебательные спектры магнезиального цемента, фаза 3». Журнал Рамановской спектроскопии , том 32, выпуск 5, страницы 361-367. DOI : 10.1002 / jrs.706
- ^ Б. Тупер и Л. Картц (1966). «Структура и формирование оксихлоридных цементов Sorel». Природа , том 211, страницы 64–66. DOI : 10.1038 / 211064a0
- ^ WF Коул и Т. Demediuk (1955). «Рентгеновские, термические и дегидратационные исследования оксихлоридов магния». Австралийский химический журнал , том 8, выпуск 2, страницы 234-251. DOI : 10,1071 / CH9550234
- ^ a b W. О. Робинсон и WH Waggaman (1909): "Основные хлориды магния". Журнал физической химии , том 13, выпуск 9, страницы 673–678. DOI : 10.1021 / j150108a002
- ^ Дэвис JWC (1872). « Состав кристаллического осадка из раствора хлорида магния и аммония ». Химические новости и журнал физических наук , том 25, стр. 258.
- ↑ Отто Краузе (1873 г.): « Убер-магнийоксихлорид ». Annalen der Chemie und Pharmacie , том 165, страницы 38–44.
- ^ Андре GM (1882). " Sur les oxychlorures de magnésium ". Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences , том 94, страницы 444–446.
- ^ Люкенс HS (1932). «Состав оксихлорида магния». Журнал Американского химического общества , том 54, выпуск 6, страницы 2372–2380. DOI : 10.1021 / ja01345a026
- ^ Ронан М. Dorrepaal и Aoife А. Говен (2018). «Идентификация неоднородности биоматериала цементного оксихлорида магния с использованием комбинационного химического картирования и гиперспектральной химической визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне». Научные отчеты , том 8, номер статьи 13034. doi : 10.1038 / s41598-018-31379-5
- ^ a b c d e Амаль Брични, Халим Хамми, Салима Аггун и М'ниф Адель (2016). «Оптимизация свойств цемента оксихлорида магния кварцевым стеклом». Достижения в исследованиях цемента (материалы конференции Springer). DOI : 10,1680 / jadcr.16.00024
- ^ "Картикеян Н., Сатишкумар А. и Деннис Джозеф Радж В. (2014). Влияние на схватывание, прочность и водостойкость цемента Sorel при смешивании летучей золы в качестве добавки. Международный журнал исследований в области машиностроения и робототехники, том 3 , № 2, 251–256 " (PDF) .
- ^ Ду, Чунцзян (1 декабря 2005 г.). «Обзор оксида магния в бетоне» . Concrete International . 27 (12).
- ^ Б с д е е г Zongjin Ли и CK Chau (2007). «Влияние мольных соотношений на свойства оксихлоридного цемента магния». Исследование цемента и бетона , том 37, выпуск 6, страницы 866-870. DOI : 10.1016 / j.cemconres.2007.03.015
- ^ Уоллинг, Сэм А .; Провис, Джон Л. (2016). «Цементы на основе магнезии: 150 лет пути и цементы будущего?» . Химические обзоры . 116 (7): 4170–4204. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.5b00463 . ISSN 0009-2665 . PMID 27002788 .
- ^ Министерство энергетики США (2016). «Труды 6-го американо-германского семинара по исследованию, проектированию и эксплуатации хранилищ солей, 11 января 2016 г.» (PDF) . www.energy.gov/ . США-DOE . Проверено 12 июля 2020 .
- ^ Сюн, Юнлян; Дэн, Хаорань; Немер, Мартин; Йонсен, Шелли (2010). «Экспериментальное определение константы растворимости гидрата гидроксида магния ( Mg
3Cl (ОН)
5· 4H
2O , фаза 5) при комнатной температуре и его важность для изоляции ядерных отходов в геологических хранилищах в соляных образованиях ». Geochimica et Cosmochimica Acta . 74 (16): 4605–4611. Doi : 10.1016 / j.gca.2010.05.029 . ISSN 0016-7037 . - ^ Бодин, MWмладший (1976). "Гидроксихлорид магния: возможный буфер pH в морских эвапоритовых рассолах?" Геология , том 4, выпуск 2, 76–80. DOI : 10.1130 / 0091-7613 (1976) 4 <76: MHAPPB> 2.0.CO; 2