Введение
Цемент на основе магния: 1 часть MgCl2 на 3 или 5 частей Mg(OH)2.
Цемент Сореля (также известный как магнезиальный цемент или оксихлорид магния) – это негидравлический цемент, впервые полученный французским химиком Станисласом Сорелем в 1867 году. Фактически, в 1855 году, до работы с соединениями магния, Станислав Сорель впервые разработал двухкомпонентный цемент, смешав порошок оксида цинка с раствором хлорида цинка. Через несколько минут он получил плотный материал, более твердый, чем известняк. Лишь десять лет спустя Сорель заменил цинк магнием в своей формуле и также получил цемент с аналогичными благоприятными свойствами. Этот новый тип цемента был прочнее и эластичнее портландцемента и, следовательно, демонстрировал более устойчивое поведение при ударных нагрузках. Материал можно было легко формовать, как гипс, в свежеприготовленном состоянии, или обрабатывать на токарном станке после схватывания и затвердевания. Он был очень твердым, легко связывался с различными материалами (обладал хорошими адгезионными свойствами) и окрашивался пигментами. Поэтому его использовали для изготовления мозаик и имитации мрамора. После смешивания с хлопком, измельченным в порошок, его также применяли в качестве заменителя слоновой кости для изготовления бильярдных шаров, устойчивых к ударам. Цемент Сореля представляет собой смесь оксида магния (жженой магнезии) с хлоридом магния с приблизительной химической формулой Mg4Cl2(OH)6(H2O)8 или MgCl2·3Mg(OH)2·8H2O, что соответствует массовому соотношению 2,5–3,5 части MgO к одной части MgCl2. Довольно 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 магния, как и Сорель примерно 100 лет назад. Цинковый оксихлоридный цемент получают из оксида цинка и хлорида цинка вместо соединений магния.
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.
Состав и структура
Цемент для упрочнения состоит главным образом из смеси оксихлоридов магния и гидроксида магния в различных пропорциях, зависящих от исходной рецептуры цемента, времени схватывания и других факторов. Основными стабильными оксихлоридами при комнатной температуре являются так называемые "фаза 3" и "фаза 5", формулы которых можно записать как 3·8H2O и 5·8H2O соответственно, или, эквивалентно, Mg3(OH)8Cl2 и Mg5(OH)8Cl2·4H2O. Фаза 5 кристаллизуется преимущественно в виде длинных игл, которые на самом деле представляют собой свернутые листы. Эти переплетенные иглы обеспечивают прочность цемента. Со временем оксихлориды поглощают и реагируют с углекислым газом из воздуха, образуя хлоркарбонаты магния.
История
Эти соединения являются основными компонентами зрелого цемента Сорель, впервые полученного в 1867 году Станисласом Сорелем. Фаза 3 была надлежащим образом выделена и описана Робинсоном и Ваггаманом (1909), а фаза 5 была идентифицирована Лукенсом (1932).
Свойства
Соррель-цемент может выдерживать 10 000–12 000 psi (69–83 МПа) компрессионной нагрузки, в то время как стандартный портландцемент обычно выдерживает только 7 000–8 000 psi (48–55 МПа). Он также достигает высокой прочности за более короткий срок. Соррель-цемент обладает замечательной способностью сцепляться с другими материалами и удерживать их. Он также проявляет некоторую эластичность, интересное свойство, повышающее его устойчивость к ударам (лучшая механическая прочность), что особенно полезно для бильярдных шаров. Пористый раствор во влажном соррель-цементе слегка щелочной (pH 8,5–9,5), но значительно менее щелочной, чем у портландцемента (гиперщелочные условия: pH 12,5–13,5). Эти различия обуславливают пригодность для различных строительных применений. Длительное воздействие воды на соррель-цемент вымывает растворимые соли, оставляя гидратированный бруцит в качестве связующей фазы, что при отсутствии поглощения магния может привести к потере прочности.
Наполнители и арматура
В практике применения цемент Сореля обычно комбинируют с наполнителями, такими как гравий, песок, мраморная мука, асбест, древесные частицы и вспученные глины. Цемент Сореля несовместим со стальной арматурой, поскольку присутствие ионов хлорида в поровой жидкости и низкая щелочность (pH < 9) цемента способствуют коррозии стали (питтинговой коррозии). Фаза 5 оксихлорида магния может быть полезным дополнением или заменой для MgO (периклаза), используемого в настоящее время в качестве геттера в камерах захоронения WIPP для ограничения растворимости минорных актинидных карбонатных комплексов, одновременно создавая умеренно щелочные условия (pH: 8,5–9,5), которые остаются совместимыми с исходными, не нарушенными геохимическими условиями, преобладающими в соляных формациях. Гораздо более растворимые оксид и гидроксид кальция (портландит) не допускаются к использованию в WIPP (Нью-Мексико), так как они приводят к слишком высокому pH (12,5). Поскольку магний является вторым по распространенности катионом в морской воде после кальция, а соединения магния менее растворимы, чем соединения кальция, буферные материалы на основе магния и цемент Сореля считаются более подходящими заполнителями для захоронения радиоактивных отходов в глубоких соляных формациях, чем обычные цементы на основе кальция (портландцемент и их производные). Более того, поскольку гидроксихлорид магния также может служить буфером pH в морских рассолах испаритных отложений, ожидается, что цемент Сореля будет меньше нарушать исходные in situ условия, преобладающие в глубоких соляных формациях.
Подготовка
Сорельцемент обычно приготавливают путем смешивания мелкодисперсного порошка с концентрированным раствором. Теоретически, ингредиенты должны быть объединены в молярных пропорциях фазы 5, обладающей наилучшими механическими свойствами. Однако химические реакции, приводящие к образованию оксихлоридов, могут не дойти до конца, оставляя не прореагировавшие частицы и/или хлориды в поровом растворе. Первые выступают в роли инертного наполнителя, а остаточные хлориды нежелательны, так как способствуют коррозии стали при контакте с цементом. Для достижения рабочей консистенции может потребоваться избыток воды. Следовательно, на практике пропорции оксида магния и воды в исходной смеси выше, чем в чистой фазе 5. В одном исследовании наилучшие механические свойства были достигнуты при молярном соотношении 13:1 (вместо стехиометрического 5:1).
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).
Производство
Периклаз (MgO) и магнезит – нераспространенное сырье, поэтому их переработка в цемент Сорель обходится дорого и ограничивается специализированными нишевыми применениями, требующими небольшого количества материалов. Китай является основным поставщиком сырья для производства оксида магния и его производных. "Зеленые цементы" на основе магния, получаемые из более распространенных месторождений доломита (доломита), но также содержащие карбонат кальция, не следует путать с оригинальным цементом Сорель, поскольку последний не содержит оксида кальция. Фактически, цемент Сорель представляет собой чистый оксихлорид магния.