2.СТРОИТЕЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНЕЗИАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ 

2.1.         Общие положения

Магнезиальные вяжущие вещества – воздушные вяжущие, получаемые обжигом при­родных магнезитов или доломитов до полного термического разложения карбоната магния с последующим тонким размолом продукта обжига. К магнезиальным вяжущим веществам относятся каустический магнезит и каустиче­ский доломит. Первый получают из природного магнезита, второй – из природного доломи­та.

2.2.         Получение каустического магнезита и каустического доломита

Природный магнезит – горная порода, состоящая преимущественно из углекислого магния MgCO₃ с различными примесями: глиной, СаСО₃, соединениями железа и др. Теоретический состав магнезита – 47,82 % MgO и 52,18 % СO₂. В природе встречается в двух видах - кристаллическом и аморфном.

Доломит представляет собой двойную углекислую соль кальция и магния – СаСО₃∙MgCO₃. Он образуется в земной коре под воздействием растворов магнезиальных солей на известняки и является весьма распространенным минералом. Теоретический состав доломита ~ 30,41 % СаО, 21,87 % MgO и 47,72 % CO₂. Обычно природный доломит имеет в своем составе некоторый избыток СаСО₃, а также глинистые и другие примеси. Для производства каустического доломита желательно применять сырье с максимальным содержанием MgO.

Процесс производства каустического магнезита и каустического доломита сводится к трем основным технологическим операциям: дроблению сырья, обжигу и помолу продукта обжига.

Производство каустического магнезита. При обжиге магнезит декарбонизируется и превращается в оксид магния по реакции:

Разложение MgCO₃ начинается при 400 °С, но заметой скорости процесс достигает лишь при 600–650 °С. Данная реакция является обратимой.  С целью протекания реакции в направлении образования MgO используют удаление CO₂ из реакционной среды с помощью естественной или искусственной тяги. Од­нако слишком высокая температура нежелательна, так как по мере ее повышения плотность продукта обжига увеличивается, а его вяжущие свойства ухудшаются. При полном удалении CO₂ качество каустического магнезита будет тем выше, чем ниже была температура его об­жига.

Термин «каустический магнезит» применим, если разложение MgCO₃ происходит при невысоких температурах – не выше 700°С; с дальнейшим повышением температуры проис­ходит уплотнение кристаллической решетки получаемого MgO и приобретение им крупно­кристаллического строения. Такой MgO называется периклазом, с водой он почти не взаимо­действует.

Качество обжига оценивают по плотности каустического магнезита: нормально обожженный каустический магнезит должен иметь плотность в пределах 3,1–3,4 кг/м³. При недожоге плотность его ниже 3,1, а при пережоге – выше 3,4 кг/м³ вследствие наличия в нем периклаза с истинной плотностью 3,7 кг/м³.

Производство каустического доломита. Температура обжига каустического доломита составляет 650–750 °С. Поскольку она ниже температуры диссоциации СаСО₃ то известняк остается в составе каустического доло­мита неразложенным, т.е, в качестве балласта:

Таким образом каустический доломит включает в себя MgO, СаСО₃ и небольшое ко­личество СаО.

2.3.         Гидратация магнезиальных вяжущих

Способность к гидратации каустического магнезита проявляется при взаимодейст­вии с водой. Однако в связи с ничтожной растворимостью MgO в воде, процесс протекает исключительно медленно, и получаемый продукт обладает небольшой прочностью. Поэтому в отличие от других вяжущих магнезиальные вяжущие затворяют не водой, а растворами хлорида или сульфата магния, которые повышают растворимость MgO и ускоряют выделе­ние из раствора Mg(OH)₂ в гелеобразном виде.

Таким образом, магнезиальные вяжущие вещества относятся к двухкомпонентным системам, состоящим из порошка каустического магнезита или каустического доломита (первый компонент), жидкости затворения – водного раствора MgCl₂  или MgSO₄ (второй компонент).

Гидратация магнезиальных вяжущих в присутствии растворов MgCl₂. Наиболее распространенным затворителем магнезиальных вяжущих является раствор MgCl₂, для приготовления которого широко используется бишофит – природный минерал МgCl₂∙6H₂O). Кроме того, хлористый магний получают из рапы (сгущенной испарением со­леной озерной воды),  как отход производства КСl из карналлита (MgCl₂∙КСl∙6H₂O), а также растворением каустического магнезита в соляной кислоте.

Соотношение между компонентами по массе при затворении хлоридом магния при­нимают: MgO 62–67 % и MgCl₂∙6Н₂О  38–33 % (в пересчете на активный оксид магния, содержащийся в каустическом магнезите примерно в количестве около 85 % по массе, и на твердый шестиводный хлорид магния).

Строительные изделия, изготовленные на каустическом магнезите с применением хлористого магния, характеризуются гигроскопичностью; при повышенном содержании в них хлористого магния могут давать выцветы. Это вынуждает в отдельных случаях приме­нять другой вид затворителя - сернокислый магний.

Гидратация магнезиальных вяжущих в присутствии растворов MgSO₄. Сернокислый магний (MgSO₄∙7H₂O) получают так же, как и хлористый магний, из ма­точных растворов соляных озер или растворением каустического магнезита в серной кислоте.

Состав магнезиального цемента при использовании сернокислого магния составляет в среднем 80–84 % MgO и 16–20 % MgSO₄, считая на обезвоженную соль. Гигроскопичность магнезиального цемента на растворе MgSO₄ меньше, чем на растворе MgCl₂.

Кроме того, для понижения гигроскопичности и повышения водостойкости затвер­девшего магнезиального вяжущего вместе с хлористым магнием применяют железный купо­рос FeSO₄∙7H₂O. Добавка его ускоряет схватывание цемента и уменьшает возможность образования выцветов на готовых изделиях.

2.4.         Твердение магнезиальных вяжущих веществ

Твердение магнезиальных вяжущих веществ определяется реакцией MgO с рас­твором хлорида (или сульфата) магния с образованием нескольких модификаций гидроксихлорида (гидроксисульфата) магния разного состава.

При затворении каустического магнезита водой часть MgO сначала растворяется в воде до образования насыщенного по отношению к MgO и пересыщенного по отношению к Mg(OH)₂ раствора, из которого и выделяется Mg(OH)₂. Образующиеся на поверхности зерен пленки новообразований затрудняют проникновение воды в глубь зерен и тем самым замед­ляют процесс гидратации. Растворимость MgO воде весьма мала, поэтому процесс проте­кает очень медленно, а получаемый продукт характеризуется невысокой прочностью.

При затворении каустического магнезита растворами MgCl₂ повышается растворимость MgO, и, что особенно важно, увеличивается различие в растворимости MgO и Mg(OH)₂. В растворе MgCl₂ растворимость MgO во много раз превышает растворимость Mg(OH)₂, что и обусловливает быстрое твердение вяжущего.

Mg(OH)₂ может иметь две формы: стабильную и метастабильную. Метастабильная форма представляет собой гель, который с течением временем кристаллизуется.

При затворении MgO водным раствором MgCl₂ образуется комплексный гидроксихлорид магния: 

который затем медленно превращается в MgCl₂∙3Mg(OH)₂∙7H₂O и Mg(OH)₂. Поэтому в затвердевшем каустическом магнезите установлено наличие как гидроксихлоридов магния, так и гидроксида магния.

При затворении магнезиального вяжущего раствором MgSO₄ образуется комплексный гидроксисульфат магния MgSO₄∙5Mg(OH)₂∙3H₂O, который может превратщаться в MgSO₄∙3Mg(OH)₂∙8H₂O.

Каустический доломит – вяжущее более низкого качества по сравнению с каустиче­ским магнезитом (из-за содержания значительного количества балластного СаСО₃). При твердении каустического доломита также происходят гидратация MgO и образование гидроксихлоридов (гидроксисульфатов) магния. СаСО₃ несколько повышает плотность твердеющего камня, а также способствует карбонизации извести, которая может образовываться в небольшом количестве при обжиге доломита.

2.5.         Применение магнезиальных вяжущих

Твердеющее тесто на основе магнезиальных вяжущих веществ имеет нейтральную реакцию (рН~7) и хорошо сцепляется с органическими заполнителями: древесными волокнами, опилками, древесной шерстью. Это свойство используется для получения фибролита и ксилолита.

Фибролит представляет собой пористый материал, полученный из смеси древесной шерсти или других органических волокнистых материалов с минеральным вяжущим (в частности, с магнезиальным). Фибролит применяется для теплоизоляции стен зданий и покрытий.

Ксилолит представляет собой затвердевшую смесь мелких органических заполнителей (опилок хвойных пород) и магнезиального вяжущего. Ксилолит применяют для бесшовных полов и в виде прессованных плит и плиток для полов и облицовки стен.

Из магнезиальных вяжущих приготавливают также пено- и газомагнезит. Известны также теплоизоляционные материалы, из-готовленные из каустического магнезита и асбеста (асбестомагнезиальные плиты – ньювель) или из каустического доломита и асбеста (совелит).

Магнезиальные вяжущие относятся к классу неводостойких вяжущих. Их можно использовать только при твердении на воздухе с относительной влажностью до 60%.