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.

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).

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.