stringtranslate.com

Сорель цемент

Цемент Сорель (также известный как магнезиальный цемент или оксихлорид магния ) представляет собой негидравлический цемент, впервые произведенный французским химиком Станисласом Сорелем в 1867 году. [1]

Фактически, в 1855 году, еще до работы с соединениями магния, Станислас Сорель впервые разработал двухкомпонентный цемент путем смешивания порошка оксида цинка с раствором хлорида цинка . [2] [3] За несколько минут он получил плотный материал, тверже известняка.

Всего десять лет спустя Сорель заменил в своей формуле цинк на магний и также получил цемент с аналогичными благоприятными свойствами. Этот новый тип цемента был более прочным и эластичным , чем портландцемент , и поэтому демонстрировал более устойчивое поведение при воздействии ударов. Из свежеприготовленного материала можно было легко формовать форму, как гипс , или обрабатывать на токарном станке после схватывания и затвердевания. Он был очень твердым, его можно было легко скрепить с различными типами материалов (хорошие адгезионные свойства) и покрасить пигментами . Поэтому из него делали мозаику и имитировали мрамор . После смешивания с хлопком , измельченным в порошок, его также использовали в качестве заменителя слоновой кости для изготовления устойчивых к ударам бильярдных шаров . [4]

Сорельский цемент представляет собой смесь оксида магния (обожженной магнезии ) с хлоридом магния с примерной химической формулой Mg 4 Cl 2 (OH) 6 ( H 2 O ) 8 , или MgCl 2 ·3Mg(OH) 2 ·8H 2 O, что соответствует до массового соотношения 2,5–3,5 частей MgO на одну часть MgCl 2 . [5]

Совершенно удивительно, что гораздо позже другой химик, Чарльз А. Соррелл (1977, 1980), чья фамилия звучит очень похоже на фамилию Станисласа Сореля, также изучал эту тему и опубликовал работы по тому же семейству оксихлоридных соединений на основе цинка и магний , как это сделал Сорель около 100 лет назад. Цемент на основе оксихлорида цинка готовят из оксида и хлорида цинка вместо соединений магния. [6] [7]

Состав и структура

Затвердевший цемент состоит в основном из смеси оксихлоридов магния и гидроксида магния в различных пропорциях, в зависимости от исходного состава цемента, времени схватывания и 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 часов
2О и 5 Mg(OH)
2· MgCl
2·8 часов
2О соответственно; или, что то же самое, Mg
2(ОЙ)
3Cl ·4 H
2О и Мг
3(ОЙ)
5Cl ·4 H
2О.​ [8]

Фаза 5 кристаллизуется в основном в виде длинных игл, которые на самом деле представляют собой свернутые листы. Эти переплетающиеся 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 соединения являются основными компонентами созревшего цемента Сореля, впервые приготовленного в 1867 году Станисласом Сорелем . [1]

В конце 19 века было предпринято несколько попыток определить состав затвердевшего цемента Сореля, но результаты не оказались окончательными. [11] [12] [13] [14] Фаза 3 была правильно выделена и описана Робинсоном и Ваггаманом (1909), [11] а фаза 5 была идентифицирована Люкенсом (1932). [15]

Характеристики

Цемент Сорел 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 достигает высокой прочности за более короткое время. [16]

Цемент Sorel обладает замечательной способностью связываться и удерживать другие материалы. Он также обладает некоторой эластичностью — интересное свойство, повышающее его способность противостоять ударам (лучшая механическая устойчивость ), что особенно полезно для бильярдных шаров .

Поровый раствор влажного цемента Сорель слегка щелочной ( рН от 8,5 до 9,5), но значительно менее щелочной, чем у портландцемента (гиперщелочные условия: рН от 12,5 до 13,5). [17]

Другие различия между цементами на основе магния и портландцементом включают водопроницаемость, сохранение растительных и животных веществ и коррозию металлов. [18] Эти различия делают подходящими различные строительные применения. [19]

Длительное воздействие воды на цемент Sorel приводит к выщелачиванию растворимого MgCl.
2, оставляя гидратированный брусит Mg(OH)
2в качестве связующей фазы, которая без поглощения CO 2 может привести к потере прочности. [17]

Наполнители и армирование

При использовании цемент Сорель обычно комбинируют с такими наполнителями, как гравий, песок, мраморная мука, асбест, древесные частицы и керамзит. [20]

Цемент Sorel несовместим со стальной арматурой, поскольку присутствие хлорид-ионов в поровом растворе и низкая щелочность (pH < 9) цемента способствуют коррозии стали ( питтинговая коррозия ). [17] Однако низкая щелочность делает его более совместимым с армирующим стекловолокном . [20] Он также лучше, чем портландцемент, в качестве связующего для древесных композитов, поскольку лигнин и другие химикаты для древесины не замедляют его схватывание. [20]

Водостойкость цемента можно улучшить с помощью таких добавок, как фосфорная кислота , растворимые фосфаты , летучая зола или кремнезем . [17]

Использование

Магниево-оксихлоридный цемент используется для изготовления напольной плитки и промышленных полов , в противопожарной защите , стеновых изоляционных панелях, а также в качестве связующего вещества 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.

Цемент Сорел также изучается в качестве потенциального материала для химических буферов и инженерных барьеров (проходных уплотнений из соляного бетона ) для глубоких геологических хранилищ высокоактивных ядерных отходов в формациях соляных пород ( Пилотный завод по изоляции отходов (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 MgO ( периклаза ), который в настоящее время используется в качестве поглотителя CO 2 в камерах утилизации WIPP для ограничения растворимости минорных карбонатных комплексов актинидов. , при этом устанавливая умеренно щелочные условия (рН: 8,5–9,5), все еще совместимые с ненарушенными геохимическими условиями, первоначально преобладавшими in situ в соляных формациях. Гораздо более растворимые оксид и гидроксид кальция ( портландит ) не разрешены к использованию в WIPP (Нью-Мексико), поскольку они влекут за собой слишком высокий уровень pH (12,5). Как Мг2+
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 Сорел считаются более подходящими материалами для засыпки радиоактивных отходов в глубоких соляных пластах, чем обычные цементы на основе кальция ( портландцемент и их производные). Более того, поскольку гидроксихлорид магния также является возможным pH-буфером в морских эвапоритовых рассолах , ожидается, что цемент Sorel будет меньше нарушать первоначальные условия на месте, преобладающие в глубоких соляных пластах. [24]

Подготовка

Сорельский цемент обычно готовят путем смешивания мелкодисперсного порошка MgO с концентрированным раствором MgCl.
2. [17]

Теоретически ингредиенты должны сочетаться в молярных пропорциях фазы 5, обладающей лучшими механическими свойствами. Однако химические реакции, в результате которых образуются оксихлориды, могут не завершиться, в результате чего остаются непрореагировавшие частицы MgO и/или MgCl.
2в поровом растворе. Хотя первые действуют как инертный наполнитель, остатки хлорида нежелательны, поскольку они способствуют коррозии стали при контакте с цементом. Для достижения работоспособной консистенции также может потребоваться избыток воды. Поэтому на практике доли оксида магния и воды в исходной смеси выше, чем в чистой фазе 5. [20] В одном исследовании лучшие механические свойства были получены при мольном соотношении MgO : MgCl .
213:1 (вместо стехиометрии 5:1). [20]

Производство

Периклаз (MgO) и магнезит ( MgCO
3) не являются богатым сырьем, поэтому их производство цемента Sorel является дорогостоящим и ограничено специализированными нишевыми применениями, требующими скромных количеств материалов. Китай является доминирующим поставщиком сырья для производства оксида магния и его производных. [ нужна цитация ] « Зеленые цементы » на основе магния, полученные из более распространенного доломита ( (Ca, Mg) (CO
3)
2) месторождений ( доломит ), но также содержащих 50 мас. % карбоната кальция , не следует путать с оригинальным цементом Sorel, так как последний не содержит оксида кальция . Действительно, цемент Сорель представляет собой чистый оксихлорид магния .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Сорель Станислас (1867). «Sur un nouveau ciment magnésien». Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences , том 65, страницы 102–104.
  2. ^ Сорель Станислас (1856). Выполните процедуру образования трес-твердого цемента под воздействием хлора на оксид цинка. Бюллетень Общества поощрения национальной промышленности, 55 , 51–53.
  3. ^ Сушу, Филипп (18 апреля 2012 г.). «Лесимент Сорель». Сайт документального дю Лерма . Проверено 8 июля 2020 г.
  4. ^ Шевалье, Мишель (1868). «Всемирная выставка 1867 года в Париже. Отчеты международного жюри, Tome dixième, Groupe VI, Arts Usuels - Классы 65 - Раздел I, Глава 3 - Искусственные материалы, § 5 - Ciment d'oxylorure de магний, 80–83». archive.org/ . Административное управление Поля Дюпона, Париж . Проверено 8 июля 2020 г.
  5. ^ Холлеман, А.Ф.; Виберг, Э. (2001). "Неорганическая химия". Академическое издательство, Сан-Диего. ISBN 0-12-352651-5 . 
  6. ^ Соррелл, Чарльз А. (1977). «Предлагаемая химия цинкохлоридных цементов». Журнал Американского керамического общества . 60 (5–6): 217–220. doi :10.1111/j.1151-2916.1977.tb14109.x. ISSN  0002-7820.
  7. ^ Урвонгсе, Ладаван; Соррелл, Чарльз А. (1980). «Система MgO-MgCl 2 -H 2 O при 23 °С». Журнал Американского керамического общества . 63 (9–10): 501–504. doi :10.1111/j.1151-2916.1980.tb10752.x. ISSN  0002-7820.
  8. ^ Исао Канесака и Шин Аояма (2001). «Колебательные спектры магнезиального цемента, фаза 3». Журнал рамановской спектроскопии , том 32, выпуск 5, страницы 361-367. дои : 10.1002/мл.706
  9. ^ Б. Тупер и Л. Карц (1966). «Структура и образование оксихлоридных магниевых цементов Сорел». Природа , том 211, страницы 64–66. дои : 10.1038/211064a0
  10. ^ У. Ф. Коул и Т. Демедик (1955). «Рентгеновские, термические и дегидратационные исследования оксихлоридов магния». Австралийский химический журнал , том 8, выпуск 2, страницы 234–251. дои : 10.1071/CH9550234
  11. ^ ab WO Робинсон и WH Waggaman (1909): «Основные хлориды магния». Журнал физической химии , том 13, выпуск 9, страницы 673–678. дои : 10.1021/j150108a002
  12. ^ Дэвис JWC (1872). «Состав кристаллического осадка из раствора хлоридов магния и аммония». The Chemical News and Journal of Physical Science , том 25, страница 258.
  13. ^ Отто Краузе (1873): «Уэбер оксихлорид магния». Annalen der Chemie und Pharmacie , том 165, страницы 38–44.
  14. ^ Андре ГМ (1882). «Сюр оксихлоры магния». Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences , том 94, страницы 444–446.
  15. ^ Люкенс HS (1932). «Состав оксихлорида магния». Журнал Американского химического общества , том 54, выпуск 6, страницы 2372–2380. дои : 10.1021/ja01345a026
  16. ^ Ронан М. Доррепаал и Аойф А. Гоуэн (2018). «Идентификация гетерогенности биоматериала цемента на основе оксихлорида магния с использованием химического картирования комбинационного рассеяния света и гиперспектральной химической визуализации в ближнем ИК-диапазоне». Научные отчеты , том 8, номер статьи 13034. doi :10.1038/s41598-018-31379-5
  17. ^ abcde Амаль Брични, Халим Хамми, Салима Аггун и Мниф Адель (2016). «Оптимизация свойств магнезихлоридного цемента с помощью кварцевого стекла». Достижения в области исследований цемента (материалы конференции Springer). дои : 10.1680/jadcr.16.00024
  18. ^ «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 машиностроения и робототехники, Vol. 3, № 2, 251–256 дюймов (PDF) .
  19. ↑ Ду, Чунцзян (1 декабря 2005 г.). «Обзор оксида магния в бетоне». Бетон Интернэшнл . 27 (12).
  20. ^ abcdefg Цзунцзин Ли и К. К. Чау (2007). «Влияние мольных соотношений на свойства магнезихлоридного цемента». Исследования цемента и бетона , том 37, выпуск 6, страницы 866-870. doi :10.1016/j.cemconres.2007.03.015
  21. ^ Уоллинг, Сэм А.; Провис, Джон Л. (2016). «Цементы на основе магнезии: путешествие в 150 лет и цементы будущего?». Химические обзоры . 116 (7): 4170–4204. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00463 . ISSN  0009-2665. ПМИД  27002788.
  22. ^ Министерство энергетики США (2016). «Материалы 6-го американо-германского семинара по исследованию, проектированию и эксплуатации соляных хранилищ, 11 января 2016 г.» (PDF) . www.energy.gov/ . Министерство энергетики США . Проверено 12 июля 2020 г.
  23. ^ Сюн, Юнлян; Дэн, Хаоран; Немер, Мартин; Джонсен, Шелли (2010). «Экспериментальное определение константы растворимости гидрата гидроксида хлорида магния ( Mg
    3    Cl(OH)
    5    ·4 часа
    2    O     , фаза 5) при комнатной температуре и ее важность для изоляции ядерных отходов в геологических хранилищах в соляных формациях». Geochimica et Cosmochimica Acta . 74 (16): 4605–4611. doi :10.1016/j.gca.2010.05.029. ISSN  0016-7037.
  24. ^ Бодин, М.В. младший (1976). «Гидрохлорид 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