Cement Sorela
Cement Sorel (znany również jako cement magnezowy lub tlenochlorek magnezu ) jest cementem niehydraulicznym wyprodukowanym po raz pierwszy przez francuskiego chemika Stanislasa Sorela w 1867 roku.
W rzeczywistości w 1855 roku, przed rozpoczęciem pracy ze związkami magnezu, Stanisław Sorel jako pierwszy opracował cement dwuskładnikowy, mieszając sproszkowany tlenek cynku z roztworem chlorku cynku . W ciągu kilku minut uzyskał gęsty materiał twardszy od wapienia.
Dopiero dekadę później Sorel zastąpił w swojej formule cynk magnezem i również uzyskał cement o podobnych korzystnych właściwościach . Ten nowy rodzaj cementu był mocniejszy i bardziej elastyczny niż cement portlandzki , a zatem wykazywał bardziej sprężyste zachowanie pod wpływem wstrząsów. Świeżo przygotowany materiał można łatwo formować jak gips lub obrabiać na tokarce po związaniu i stwardnieniu. Był bardzo twardy, można go było łatwo związać z wieloma różnymi rodzajami materiałów (dobry adhezyjne ) oraz barwione pigmentami . Dlatego używano go do wykonywania mozaik i imitacji marmuru . Po zmieszaniu z bawełną stosowano ją również jako materiał zastępczy kości słoniowej do wyrobu kul bilardowych odpornych na wstrząsy.
Cement Sorel to mieszanina tlenku magnezu ( magnezja palona ) z chlorkiem magnezu o przybliżonym wzorze chemicznym Mg 4 Cl 2 (OH) 6 ( H 2 O ) 8 , czyli MgCl 2 ·3Mg(OH) 2 ·8H 2 O, odpowiadający do stosunku wagowego 2,5-3,5 części MgO na jedną część MgCl 2 .
Co zaskakujące, dużo później inny chemik, Charles A. Sorrell (1977, 1980) – którego nazwisko rodowe brzmi dość podobnie do nazwiska Stanisława Sorela – również badał ten temat i publikował prace dotyczące tej samej rodziny związków tlenochlorkowych na bazie cynku i magnez , tak jak zrobił to Sorel około 100 lat wcześniej. Cement na bazie tlenochlorku cynku jest przygotowywany z tlenku cynku i chlorku cynku zamiast związków magnezu.
Skład i struktura
Utwardzony cement składa się głównie z mieszaniny tlenochlorków magnezu i wodorotlenku magnezu w różnych proporcjach, w zależności od początkowej receptury cementu, czasu wiązania i innych zmiennych. Głównymi stabilnymi tlenochlorkami w temperaturze otoczenia są tzw. „faza 3” i „faza 5”, których wzory można zapisać jako 3 Mg(OH)
2 · MgCl
2 ·8 H
2 O i 5 Mg(OH)
2 · MgCl2
_ H2O
_ · 8 odpowiednio; lub
5Cl równoważnie ,
_ ( , Mg2
) OH
3Cl 4H2O Mg3 4H2O
. OH
) · i ( ·
Faza 5 krystalizuje głównie w postaci długich igieł, które w rzeczywistości są zwiniętymi arkuszami. Te zazębiające się igły nadają cementowi jego wytrzymałość.
W dłuższej perspektywie tlenochlorki absorbują i reagują z dwutlenkiem węgla CO2 z
powietrza , tworząc chlorowęglany magnezu.
Historia
Związki te są podstawowymi składnikami dojrzałego cementu Sorela, przygotowanego po raz pierwszy w 1867 roku przez Stanisława Sorela .
Pod koniec XIX wieku podjęto kilka prób określenia składu stwardniałego cementu Sorela, ale wyniki nie były rozstrzygające. Faza 3 została właściwie wyizolowana i opisana przez Robinsona i Waggamana (1909), a faza 5 została zidentyfikowana przez Lukensa (1932).
Nieruchomości
Cement Sorel może wytrzymać siłę ściskającą 10 000–12 000 psi (69–83 MPa), podczas gdy standardowy cement portlandzki zwykle wytrzymuje tylko 7 000–8 000 psi (48–55 MPa). Osiąga również wysoką wytrzymałość w krótszym czasie.
Cement Sorel ma niezwykłą zdolność wiązania i zatrzymywania innych materiałów. Wykazuje również pewną sprężystość , interesującą właściwość zwiększającą odporność na wstrząsy (lepsza odporność mechaniczna ), szczególnie przydatną w przypadku kul bilardowych .
Roztwór porów w mokrym cemencie Sorel jest lekko zasadowy ( pH 8,5 do 9,5), ale znacznie mniej niż w cemencie portlandzkim (warunki hiperalkaliczne: pH 12,5 do 13,5).
Inne różnice między cementami na bazie magnezu a cementem portlandzkim obejmują przepuszczalność wody, konserwację substancji roślinnych i zwierzęcych oraz korozję metali. Te różnice sprawiają, że różne zastosowania konstrukcyjne są odpowiednie.
Długotrwałe wystawienie cementu Sorel na działanie wody wypłukuje rozpuszczalny MgCl
2 , pozostawiając uwodniony brucyt Mg(OH)
2 jako fazę wiążącą, która bez absorpcji CO 2 może spowodować utratę wytrzymałości.
Wypełniacze i wzmocnienia
Podczas użytkowania cement Sorel jest zwykle łączony z materiałami wypełniającymi, takimi jak żwir, piasek, mączka marmurowa, azbest, cząstki drewna i keramzyt.
Cement Sorel jest niekompatybilny ze stalą zbrojeniową, ponieważ obecność jonów chlorkowych w roztworze porowym i niska zasadowość (pH < 9) cementu sprzyja korozji stali ( korozji wżerowej ). Jednak niska zasadowość sprawia, że jest bardziej kompatybilny ze zbrojeniem z włókna szklanego . Jest również lepszy niż cement portlandzki jako spoiwo do kompozytów drzewnych, ponieważ lignina i inne chemikalia drzewne nie spowalniają jego wiązania.
Odporność cementu na działanie wody można poprawić stosując dodatki takie jak kwas fosforowy , rozpuszczalne fosforany , popiół lotny czy krzemionka .
Używa
Cement na bazie tlenochlorku magnezu stosowany jest do produkcji płytek podłogowych i posadzek przemysłowych , w zabezpieczeniach przeciwpożarowych , panelach do izolacji ścian oraz jako spoiwo do ściernic . Ze względu na swoje podobieństwo do marmuru jest również używany do sztucznych kamieni , sztucznej kości słoniowej (np. do kul bilardowych ) i innych podobnych celów.
Cement Sorel jest również badany jako potencjalny materiał na bufory chemiczne i bariery inżynieryjne (uszczelnienia dryfujące wykonane z betonu solnego ) dla głębokich składowisk geologicznych wysokoaktywnych odpadów nuklearnych w formacjach solnych ( Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) w Nowym Meksyku , USA; kopalnia soli Asse II , Gorleben i Morsleben w Niemczech). Faza 5 tlenochlorku magnezu może być użytecznym uzupełnieniem lub zamiennikiem MgO ( peryklaz ) obecnie stosowanego jako CO 2 getter w komorach składowania WIPP w celu ograniczenia rozpuszczalności pomniejszych kompleksów węglanowych aktynowców , przy jednoczesnym ustaleniu umiarkowanie zasadowych warunków (pH: 8,5–9,5), nadal zgodnych z niezakłóconymi warunkami geochemicznymi początkowo panującymi in situ w formacjach solnych. Znacznie lepiej rozpuszczalny i wodorotlenek wapnia ( portlandyt ) nie jest dopuszczony w WIPP (Nowy Meksyk), ponieważ narzucałby zbyt wysokie pH (12,5). Ponieważ Mg 2+
jest drugim najbardziej obfitym kationem obecne w wodzie morskiej po Na +
, oraz że związki magnezu są mniej rozpuszczalne niż związki wapnia, materiały buforowe na bazie magnezu i cement Sorel są uważane za bardziej odpowiednie materiały zasypowe do składowania odpadów radioaktywnych w głębokich formacjach solnych niż zwykłe cementy na bazie wapnia ( Portland cement i ich pochodne). Ponadto, jako hydroksychlorek magnezu, jest również możliwym buforem pH w morskich solankach ewaporatowych Oczekuje się, że cement Sorel w mniejszym stopniu zakłóci początkowe warunki in situ panujące w głębokich formacjach solnych.
Przygotowanie
Cement Sorel jest zwykle przygotowywany przez zmieszanie drobno rozdrobnionego proszku MgO ze stężonym roztworem MgCl
2 .
Teoretycznie składniki należy łączyć w proporcjach molowych fazy 5, która ma najlepsze właściwości mechaniczne. Jednak reakcje chemiczne, które tworzą tlenochlorki MgCl2
, mogą nie przebiegać do końca, pozostawiając nieprzereagowane cząstki MgO i/lub w roztworze porów. Podczas gdy ten pierwszy działa jako obojętny wypełniacz, pozostały chlorek jest niepożądany, ponieważ sprzyja korozji stali w kontakcie z cementem. Nadmiar wody może być również niezbędny do uzyskania odpowiedniej konsystencji. Dlatego w praktyce proporcje tlenku magnezu i wody w mieszance wyjściowej są większe niż w czystej fazie 5. W jednym z badań najlepsze właściwości mechaniczne uzyskano przy stosunku molowym MgO : MgCl2 13:
1 (zamiast stechiometrii 5:1).
Produkcja
Peryklazy (MgO) i magnezyty ( MgCO
3 ) nie są powszechnie dostępnymi surowcami, więc ich produkcja w cemencie Sorel jest kosztowna i ograniczona do specjalistycznych niszowych zastosowań wymagających niewielkich ilości materiałów. Dominującym dostawcą surowców do produkcji tlenku magnezu i jego pochodnych są Chiny. [ potrzebne źródło ] „ zielone cementy ” na bazie magnezu pochodzące z bardziej obfitych złóż dolomitu ( (Ca,Mg)(CO
3 )
2 ) ( dolomit ), ale również zawierające 50% wag. % węglanu wapnia , nie należy mylić z oryginalnym cementem Sorel, ponieważ później nie zawiera on tlenku wapnia . Rzeczywiście, cement Sorel jest czystym tlenochlorkiem magnezu .