Кіріспе
Магнийге негізделген цемент: 1 бөлігі MgCl2 үшін 3 немесе 5 бөлігі Mg(OH)2.
Сорел цементі (магнезия цементі немесе магний оксихлориді деп те аталады) – гидравликалық емес цемент, оны алғаш рет 1867 жылы француз химигі Станислав Сорел өндірді. Шындығында, 1855 жылы, магний қосылыстарымен жұмыс істемес бұрын, Станислав Сорел мырыш оксиді ұнтағын мырыш хлориді ерітіндісімен араластырып, екі компонентті цемент жасады. Бірнеше минут ішінде ол әктастан да қатты, тығыз материал алды. Он жылдан кейін ғана Сорел мырышты магнийге ауыстырып, ұқсас жақсы қасиеттері бар цементке қол жеткізді. Бұл жаңа цемент түрі Портленд цементінен күшті әрі серпімді болды, сондықтан соққыға ұшырағанда жақсырақ кедергі көрсетті. Материалды жаңа дайындалғанда гипс сияқты оңай қалыпқа келтіруге болады, ал бекігеннен кейін токарьда өңдеуге болады. Ол өте қатты, көптеген түрлі материалдарға оңай жабысады (жақсы адгезиялық қасиеттері), және пигменттермен боялады. Сондықтан оны мозаика жасауға және мәрмәрді имитациялауға қолданды. Мақта тоқымасының ұнтағымен араластырылғаннан кейін, оны соққыға төзімді бильярд шарларын жасау үшін піл сүйегінің орнына қолданды. Сорел цементі – магний оксидінен (күйдірілген магнезиядан) және магний хлоридінен тұратын қоспа, шамамен химиялық формуласы Mg4Cl2(OH)6(H2O)8 немесе MgCl2·3Mg(OH)2·8H2O, бұл салмақ бойынша 2,5–3,5 бөлік MgO-ның бір бөлігі MgCl2-ге сәйкес келеді. Кереметі, жақында тағы бір химик, Чарльз А. Соррелл (1977, 1980) – аты Станислав Сорелдің атына ұқсас – осы тақырыпты зерттеді және 100 жыл бұрын Сорел жасағандай, мырыш пен магнийге негізделген оксихлоридтер отбасы туралы еңбектер жариялады. Мырыш оксихлоридті цемент магний қосылыстарының орнына мырыш оксиді мен мырыш хлоридінен дайындалады.
Sorel cement (also known as magnesia cement or magnesium oxychloride) is a non hydraulic cement first produced by the French chemist Stanislas Sorel in 1867. In fact, in 1855, before working with magnesium compounds, Stanislas Sorel first developed a two component cement by mixing zinc oxide powder with a solution of zinc chloride. In a few minutes he obtained a dense material harder than limestone. Only a decade later, Sorel replaced zinc with magnesium in his formula and also obtained a cement with similar favorable properties. This new type of cement was stronger and more elastic than Portland cement, and therefore exhibited a more resilient behavior when submitted to shocks. The material could be easily molded like plaster when freshly prepared, or machined on a lathe after setting and hardening. It was very hard, could be easily bound to many different types of materials (good adhesive properties), and colored with pigments. Therefore, it was used to make mosaics and to mimic marble. After mixing with cotton crushed in powder, it was also used as a surrogate material for ivory to fabricate billiard balls resistant to shock. Sorel cement is a mixture of magnesium oxide (burnt magnesia) with magnesium chloride with the approximate chemical formula Mg4Cl2(OH)6(H2O)8, or MgCl2·3Mg(OH)2·8H2O, corresponding to a weight ratio of 2.5–3.5 parts MgO to one part MgCl2. Quite surprisingly, much more recently, another chemist, Charles A. Sorrell (1977, 1980) – whose family name sounds quite similar to that of Stanislas Sorel – also studied the topic and published works on the same family of oxychloride compounds based on zinc and magnesium, just as Sorel had done about 100 years before. The zinc oxychloride cement is prepared from zinc oxide and zinc chloride instead of the magnesium compounds.
Құрамы мен құрылымы
Сейтілген цемент негізінен магний оксихлоридтері мен магний гидроксидінің әртүрлі пропорциядағы қоспасынан тұрады, олардың мөлшері бастапқы цемент құрамына, бекіну уақытына және басқа да факторларға байланысты өзгереді. Бөлме температурасындағы негізгі тұрақты оксихлоридтер – "фаза 3" және "фаза 5", олардың формулалары тиісінше 3·8H2O және 5·8H2O; немесе, эквивалентті түрде, ·4H2O және ·4H2O деп жазылуы мүмкін. Фаза 5 негізінен ұзын инелер түрінде кристалданады, бұл іс жүзінде оралған жапырақшалар. Осы бір-бірімен байланысқан инелер цементке беріктік қасиетін береді. Ұзақ мерзімде оксихлоридтер ауадан көмірқышқыл газын сіңіріп, онымен реакцияға түсіп, магний хлоркарбонаттарын түзетін болады.
Тарих
Бұл қосылыстар 1867 жылы Станислав Сорел алғаш дайындаған пісіп жетілген Сорел цементінің негізгі құрауыштар болып табылады. 3-фаза Робинсон мен Ваггаман (1909) тарапынан дұрыс бөлініп, сипатталды, ал 5-фаза Лукенс (1932) анықтады.
Қасиеттері
Сорел цементі 10,000–12,000 psi (69–83 МПа) қысым күшіне төтеп бере алады, ал стандартты Портленд цементі әдетте 7,000–8,000 psi (48–55 МПа) ғана төтеп бере алады. Ол сондай-ақ, қысқа мерзімде жоғары беріктікке жетеді. Сорел цементінің басқа материалдармен байланысып, оларды ұстап тұру қабілеті ерекше. Бұл цементтің белгілі бір серпімділігі бар, бұл қасиет оның соққыға төзімділігін арттырады (жақсы механикалық тұрақтылық), әсіресе бильярд шарлары үшін өте пайдалы. Сорль цементінің ылғалды ерітіндісі шамалы сілтілі (pH 8,5–9,5) болады, бірақ Портленд цементіне қарағанда әлдеқайда аз (гиперсілтілі жағдай: pH 12,5–13,5). Осы айырмашылықтар түрлі құрылыс салаларында қолдануға мүмкіндік береді. Сорел цементін суға ұзақ уақыт ұстау ерігіш заттарды шығарып, гидратталған бруцитті байланыстырушы фаза ретінде қалдырады, ол сіңірілмесе, беріктіктің жоғалтуына әкелуі мүмкін.
Толықтырғыштар мен арматуралар
Пайдалану кезінде Sorel цементін әдетте қиыршық тас, құм, мәрмәр ұны, асбест, ағаш бөлшектері және кеңейтілген саз сияқты толтырғыш материалдармен қосады. Sorel цементі болат арматурамен үйлесімсіз, себебі порлы ерітіндіде хлорид иондарының болуы және цементтің төмен сілтілігі (pH < 9) болаттың коррозиясын (шұқу коррозиясын) күшейтеді. Магний оксихлоридінің 5-фазасы қазіргі уақытта WIPP жою камераларында аз мөлшердегі актинидтер карбонатты кешендерінің ерігіштігін шектеу үшін қолданылатын MgO (периклаз) үшін пайдалы толықтыру немесе алмастыру болып табылуы мүмкін, сонымен бірге тұз формацияларында бастапқыда қалыптасқан геохимиялық жағдайлармен үйлесімді орташа сілтілік жағдайларды (pH: 8.5–9.5) қамтамасыз етеді. Көп ерігіш кальций оксиді мен гидроксиді (портландит) WIPP (Нью-Мексико) үшін рұқсат етілмейді, өйткені олар тым жоғары pH (12.5) құрады. Теңіз суында екінші ең көп кездесетін катион және магний қосылыстары кальций қосылыстарынан гөрі аз еритін болғандықтан, магнийге негізделген буферлік материалдар және Sorel цементі радиоактивті қалдықтарды терең тұздықтардағы кез келген жерлеу үшін кальцийге негізделген қарапайым цементтерге (Портленд цементі және олардың туындылары) қарағанда қолайлы материалдар болып саналады. Сонымен қатар, магний гидроксихлориді теңіздік булану тұздарының pH буфері болып табылғандықтан, Sorel цементі терең тұздықтардағы бастапқы in situ жағдайларын азша бұзады деп күтілуде.
Дайындық
Сорел цементі әдетте ұсақ дисперсті ұнтақты концентрацияланған ерітіндімен араластыру арқылы дайындалады. Теория бойынша, ингредиенттер 5-ші фазаның молярлық пропорцияларында біріктірілуі тиіс, ол ең жақсы механикалық қасиеттерге ие. Дегенмен, оксихлоридтерді түзетін химиялық реакциялар толық аяқталмай, реакцияға түспеген бөлшектер және/немесе кеуекті ерітіндіде хлоридтер қалуы мүмкін. Бұл бөлшектер инертті толтырғыш ретінде танылса, қалған хлорид цементпен жанасқан болаттың коррозиясын күшейтетіндіктен, ол тиімсіз. Жұмыс істеуге қолайлы тұтқырлыққа қол жеткізу үшін судың артық мөлшері қажет болуы мүмкін. Сондықтан, практикада бастапқы қоспадағы магний оксиді мен судың пропорциясы таза 5-ші фазадағыдан жоғары болады. Бір зерттеуде ең жақсы механикалық қасиеттер 13:1 молярлық қатынасында (стехиометриялық 5:1 орнына) алынған.
In theory, the ingredients should be combined in the molar proportions of phase 5, which has the best mechanical properties. However, the chemical reactions that create the oxychlorides may not run to completion, leaving unreacted particles and/or in pore solution. While the former act as an inert filler, leftover chloride is undesirable since it promotes corrosion of steel in contact with the cement. Excess water may also be necessary to achieve a workable consistency. Therefore, in practice the proportions of magnesium oxide and water in the initial mix are higher than those in pure phase 5. In one study, the best mechanical properties were obtained with a molar ratio : of 13:1 (instead of the stoichiometry 5:1).
Өндіріс
Периклаз (MgO) және магнезит сирек кездесетін шикізаттар, сондықтан олардан Sorel цементін жасау қымбатқа түседі және материалдардың аз мөлшерін қажет ететін арнайы салаларда ғана қолданылады. Магний оксиді мен оның туындыларын өндіруге қажетті шикізаттың басым бөлігін Қытай жеткізеді. Доломит кен орындарынан (доломит) алынатын, бірақ кальций карбонаты да қамтитын магнийге негізделген "жасыл цементтерді" бастапқы Sorel цементімен шатастыруға болмайды, себебі соңғысында кальций оксиді болмайды. Шын мәнінде, Sorel цементі – таза магний оксихлориді.