Применение магнезиальных вяжущих в строительстве
В гражданском и промышленном строительстве магнезиальные вяжущие вещества применяют в качестве связующего для изготовления ксилолита, фибролита, искусственного мрамора, теплоизоляционных материалов, штукатурных растворов, основания под «чистые» полы, искусственных жерновов, точильных и литографических камней и других изделий. В огнеупорной промышленности магнезитовый каустический порошок марки ПМК-75 используют как вяжущее при изготовлении огнеупорных изделий.
Ксилолит — от греческого «дерево — камень» — изготовляют из магнезиального вяжущего солевого затворения и опилок хвойных пород. Ксилолит хорошо работает на изгиб, растяжение, истирание, удар; изделия из ксилолита обладают пониженной теплопроводностью, по значению приближаясь к теплопроводности дубового паркета. Ксилолит широко применяют для изготовления бесшовных (наливных) полов на вокзалах, в больницах, магазинах, а также для изготовления лестничных ступеней, подоконников и т. д.
Введение в ксилолит в качестве заполнителей талька, асбеста и др. повышает его плотность и прочность; добавка трепела уменьшает его теплопроводность, а кварцевого песка понижает истираемость, несколько увеличивая плотность, что позволяет применять его для устройства полов в нежилых помещениях.
В ряде случаев применяют терраццо-ксилолитовые (двухслойные) полы, нижнее основание которых готовится как и ксилолитового пола, а верхний слой — из магнезиального вяжущего и минерального заполнителя в виде крошки мрамора или других горных пород; при этом полы имеют более красивый вид. Промышленность выпускает ксилолитовые плитки квадратной или многоугольной формы размерами 15×15, 20х20 см и более при толщине 10—15 мм. Плитки изготовляют из ксилолитовой массы жесткой консистенции прессованием в горячем состоянии под давлением 30 МПа (300 кгс/см2). Для настила полов или для облицовки внутренних стен плитки укладывают на растворе из магнезиального вяжущего или портландцемента.
Фибролит — от греческого «волокнистый камень» — изготовляют из магнезиального вяжущего солевого затворения с заполнителем из костры, кенафа, древесной шерсти или другого волокнистого органического материала, спрессованных в виде плит. Фибролит негорюч, не тлеет, легко поддается обработке режущими инструментами. Термоизоляционный фибролит применяют для утепления потолочных перекрытий, стен, полов и других поверхностей с последующим их оштукатуриванием. В виде фанеры фибролит используется для обшивки под штукатурку стен и полов, при этом перед оштукатуриванием он не требует дополнительной обработки. Для получения фибролита каустический магнезит затворяют солевым раствором MgCl2 и полученное магнезиальное молоко тщательно перемешивают с волокнистым заполнителем. Необходимое количество фибролитовой массы помещают в металлические или деревянные формы, где ее прессуют под давлением 0,04— 0,05 МПа; отформованные изделия-плиты в течение 6—7 ч выдерживают в камере с нагретым до 60—70 °С воздухом, после чего температуру подаваемого воздуха поднимают до 80—90 °С и обрабатывают им изделия в течение 7—8 ч при усиленной вентиляции.
Штукатурные растворы на магнезиальном вяжущем ложатся на поверхность ровным слоем, твердеют быстро, имеют хороший вид и не требуют дополнительных малярных работ.
Магнезиальное вяжущее — строительный материал ХХI века
Современной строительной наукой описан своеобразный «портрет» идеального материала будущего: «Он должен быть универсален — обладать одновременно высокими конструктивными способностями и теплоизолирующими свойствами; совершенно обязательно, чтобы он был негорючим, долговечным, влагостойким, экологически чистым и обладал достаточными декоративными качествами, исключающими необходимость в дополнительной наружной и отчасти внутренней отделки зданий и сооружений; желательно, чтобы он был получен из минерального сырья». К этому следует добавить, что подобный материал должен производиться на существующем технологическом оборудовании и, самое главное, быть конкурентоспособным в сравнении с узкопрофильными материалами-аналогами.
Но, как часто это бывает, все новое — это хорошо забытое старое, с которого лишь необходимо стряхнуть «вековую пыль» и слегка модернизировать. Оказывается, предшествующие поколения решили нашу проблему еще 150 лет назад.
Каустический магнезит, получаемый после обжига при относительно невысоких температурах некоторых природных минералов, в составе которых значительное количество карбоната или гидроксида магния (магнезит, доломит), затворенный водным раствором магниевых солей (сульфатом или хлоридом магния — бишофитом) близких по составу к морским, образует пластическую массу, обладающую вяжущими свойствами. Состав и свойства этого вяжущего были описаны еще в середине ХIХ века французским инженером Сорелем, положившим начало его применению в строительстве, а также названию московской производственно-строительной компании «Сорель-Эколоджи». Уникальность магнезиального вяжущего заключается в сочетании его высоких вяжущих свойств и совместимости практически с любыми видами заполнителей, в том числе органического природного и искусственного происхождения.
Цементный камень, образующийся на основе магнезиального вяжущего, является твердым раствором солей сложного состава. Именно на основе магнезиальных вяжущих получают различные камнеподобные материалы с заранее заданными свойствами под общим названием «магнолит».
В зависимости от того, какие наполнители используются, магнолит обладает следующими свойствами:
Помимо прочих достоинств, консервирующие свойства магнолита позволяют применять даже токсичные заполнители при производстве строительных изделий, которые впоследствии будут иметь фон, удовлетворяющий санитарным нормам. А значительное количество химически связанной воды в магнезиальном цементном камне делает магнолит лучшим из существующих бетонов для биологической защиты от радиационного поражения. Магнезиальное вяжущее и изделия на его основе являются биологически инертными, то есть экологически безопасными.
Магнезиальное вяжущее — строительный материал ХХI века.
Нет никаких сомнений в том, что у такого материала в России, где сосредоточено более половины мировых запасов магнезиального сырья, могут быть просто блестящие перспективы. И не случайно в последнее время наблюдается значительный всплеск интереса к нему.
Современные технологии позволяют делать из магнолита практически все, что угодно: СМЛ, стеновые материалы, конструкционные брусы, пеномагнолитовые блоки с фасадной облицовкой под кирпич или колотый камень, разнообразные половые покрытия, детали интерьера. Следует отметить, что в домах из магнолитовых конструкций создается благоприятный для человека микроклимат, сочетающий в себе достоинства деревянного дома и соляной пещеры, оказывающей бальнеологический эффект для больных астмой и другими аллергическими заболеваниями.
Большинство препятствий на пути массового применения магнолита как строительного материала уже преодолены. Наряду с действующим предприятием по добыче магнезиального сырья разведаны и подготовлены к добыче ряд новых месторождений магнезитов на Урале и в Восточной Сибири, ведется промышленная добыча бишофита скважинным методом. Бишофит представляет собой уникальный по своему составу экологически чистый минерал — водный хлорид магния MgCl2∙6H2O и является продуктом кристаллизации солей замкнутых водных бассейнов. Впервые выявлен в цехштейнових отложениях Германии немецким ученым Густавом Бишофом, в честь которого со временем этот минерал был и назван.
Разработаны и эксплуатируются опытно-промышленные обжиговые агрегаты кипящего слоя, позволяющие получать недорогое магнезиальное вяжущее из самого распространенного магнезиального сырья — доломита.
Однако для широкого внедрения магнезиального вяжущего в строительную практику сегодня потребуется решить ряд проблем федерального масштаба: от разработки государственных стандартов и строительных норм касательно магнезиального вяжущего и строительных материалов на его основе — до организации добычи и переработки магнезиального сырья в промышленных объемах.
Особенности магнезиальных вяжущих.
Магнезиальные вяжущие вещества характеризуются хорошим сцеплением с органическими материалами (древесными опилками, стружкой и т. п.) и предохраняют их от загнивания. На этом основано применение этих вяжущих для устройства ксилолитовых полов (заполнителем в которых служат древесные опилки), изготовления некоторых материалов (фибролита). Применение. Магнезиальные вяжущие хорошо сцепляются с органическими волокнистыми материалами. Поэтому для их наполнения и армирования используют древесные материалы (опилки, стружки, рейки) На основе магнезиальных вяжущих и древесных стружек получают теплоизоляционный материал — фибролит и легкий и прочный материал для полов с наполнителем из опилок — ксилолит. На заводах изготовляют ксилолитовые плитки, а на стройках делают бесшовные ксилолитовые покрытия полов.
Каустический магнезит используют для устройства особо плотных штукатурок, в том числе искусственного мрамора, и изготовления строительных деталей (подоконных плит, ступеней, скульптурных изделий). Каустический доломит используют для устройства оснований под покрытия пола и изготовления теплоизоляционных изделий.
Все изделия из магнезиальных вяжущих не следует применять в помещениях с повышенной влажностью, так как водостойкость их невысока.
Каустический магнезит — порошок, состоящий в основном из оксида магния и получаемый помолом магнезита, обожженного при 700—800 °С.
В отличие от других вяжущих каустический магнезит затворяют не водой, а растворами хлористого или сернокислого магния. В таком виде его называют магнезиальным цементом. Иногда для затворения применяют ZnCl2, FeS04 и другие соли.
Сырьем для получения каустического магнезита служит магнезит — горная порода, состоящая преимущественно из углекислой соли магния MgC03 в кристаллическом или аморфном состоянии. Кристаллический магнезит— минерал с истинной плотностью 3,1—3,3 г/см3,, Аморфный магнезит представляет фарфоровидную массу с истинной плотностью 2,9—3 г/см3. СССР богат крупными месторождениями высококачественного магнезита, который широко используется в металлургической, химической и строительной промышленности.
При увеличении температуры обжига сверх 800 °С оксид магния постепенно уплотняется и приобретает крупнокристаллическое строение. В таком виде MgO называется периклазом, с водой он почти не взаимодействует.
Нормально обожженный каустический магнезит имеет истинную плотность 3,1—3,4 г/см3. При недожоге истинная плотность каустического магнезита ниже 3,1, а при пережоге — выше 3,4 г/см3 вследствие наличия в нем периклаза с истинной плотностью 3,7 г/см3.
Обжигают магнезит в шахтных с выносными топками, а также во вращающихся печах. Обожженный каустический магнезит измельчают до остатка на сите № 02 не более 5 %, а на сите № 008— не более 25 %
Готовое вяжущее обычно упаковывают в металлические барабаны, чтобы предотвратить его гидратацию. При производстве каустических магнезита и доломита необходимо соблюдать правила техники безопасности и охраны труда.
Доломит — двойная углекислая соль магния и кальция (М^СОз-СаСОз)—слагает горные породы осадочного происхождения. Истинная плотность доломита 2,85— 1,95 г/см3. Обычно доломиты содержат около 20 % MgO, 30 % СаО и 45 % С02. В природе доломит встречается значительно чаще, чем магнезит.
Обжигая доломиты при разных температурах, можно изготовлять каустический доломит, состоящий из MgO и СаСОз и получаемый при 650—750 °С с последующим измельчением; доломитовый цемент, состоящий из MgO, СаО и СаСОз и получаемый при 750—850 °С с последующим измельчением в тонкий порошок, он затворяется водой, а по показателям прочности при сжатии трамбованных образцов из раствора 1 :3 через 28 сут твердения на воздухе характеризуется марками 25—50, а также доломитовую известь, состоящую из оксидов магния и кальция и получаемую при 900—950 °С.
Доломит, обжигаемый до спекания при 1400—1500 °С, применяют в качестве огнеупорного материала. Он не взаимодействует с водой и поэтому не обладает вяжущими свойствами.
Каустический доломит должен содержать не менее 15 % MgO и не более 2,5 % СаОСВоб, а значение п. п. п. должно быть в пределах 30—35 %• Его качество определяется содержанием MgO и температурой обжига.
Производство каустического доломита принципиально не отличается от производства каустического магнезита. Доломит в заводских условиях обжигают при 650— 750 °С в шахтных печах с выносными топками и во вращающихся печах.
При затворении каустического доломита растворами солей магния СаО реагирует с ними, образуя хлористый или сернокислый кальций, что отрицательно отражается на качестве затвердевшего каустического доломита.
Каустический доломит должен измельчаться до остатка на сите № 02 не более 5 %, а на сите № 008 не более 25 %. Его вяжущие свойства значительно улучшаются при более тонком помоле. Каустический доломит затворяют водными растворами солей хлористого и сернокислого магния обычно той же концентрации, что и каустический магнезит. Схватывание и твердение каустических доломита и магнезита обусловлены в основном гидратацией MgO и образованием оксихлорида магния или других основных солей.
Истинная плотность каустического доломита находится в пределах 2,78—2,85 г/см3. Ее повышение указывает на появление в каустическом доломите значительного количества свободного оксида кальция. Плотность в рых-лонасыпанном состоянии составляет в среднем 1050— 1100 кг/м3. Начало схватывания при комнатной температуре наступает через 3—10 ч, а конец через 8—20 ч после затворения.
Каустический доломит, обожженный при температуре ниже температуры диссоциации СаС03, характеризуется равномерным изменением объема. Неравномерность наблюдается лишь при наличии в нем 2—2,5 % свободного оксида кальция и при неправильно выбранном соотношении между MgO—MgCI2 и водой. В этом случае появляются трещины и цементный камень разрушается.
Каустический доломит характеризуется меньшей прочностью, чем каустический магнезит. Образцы из трамбованного раствора состава 1 :3 по массе на этом вяжущем через 28 сут воздушного твердения имеют предел прочности при сжатии 10—30 МПа. Затвердевший каустический доломит, как и магнезит, разрушается в воде вследствие вымывания из него растворимых солей MgCI2 и др.
Каустический доломит наравне с каустическим магнезитом применяют для изготовления ксилолита, фибролита, теплоизоляционных материалов и т. п.
МАГНЕЗИАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Воздушные вяжущие вещества, получаемые в результате тонкого измельчения обожженных доломитов или магнезитов.
Процесс производства каустического магнезита идет по схеме
Процесс производства каустического доломита идет по схеме
Ca Mg (CO3)2 ↔ MgO + CaO + CaCO3 + CO2↑
Температура обжига для получения каустического магнезита (КМ) – 650-750° С, процесс декарбонизации магнезита начинается с температур
400°С, расход Q 1440 Дж/1 кг МġСО3.
При обжиге доломита с повышением температуры более 800 начинается декарбонизация СаСО3 с образованием СаО. В готовом продукте – каустическом доломите присутствуют MgO + CaO, которые имеют различную химическую активность, CaCO3 с позиции вяжущего является балластом.
Каустический магнезит выпускают нескольких марок в зависимости от содержания MgO
Химическая и стекольная пром-ть Строительство
Каустический доломит регламентируют:
MgO не менее 15%, CaO не более 2.5%
На качество готового продукта влияют:
Содержание примесей в исходном сырье
Назначение технологических параметров процесса обжига T,τ
Размер кусков обжигаемого сырья, т.е. в мелком сырье процесс декарбонизации завершится раньше, возможно образование периклаза, крупные – недожег.
Зерна размером 200 мкм – не более 5%
80-200 мкм – не более 25%
Т02 = до 5% Т008= до 25%
До 70% магнезиального вяжущего представлено зернами размером 30-70 мкм.
Измельчение до зерен размером
5 мкм приводит к росту затрат на помол, зерна будут гидратироваться и карбонизироваться за счет паров воды и углекислого газа воздуха, процесс протекает при хранении, особенно при нарушении условий герметичности.
Гидратация, особенности процесса
При затворении вяжущих водой процесс твердения протекает медленно, прочность камня достаточно низкая, Поэтому затворение КМ и КД выполняют растворами солей.
• Хлористый магний шести водный – бишофит ( рапа озер и морей)
• Карналлит KCl MgCl2 6H2O
• Сульфат магния семи водный – астраханит (морская вода)
*При затворении сульфатами прочность ниже.
*Передозировка солей – хлор содержащих приведет к получению камня с высокой гигроскопичностью и высолообразованием на поверхности.
По результатам исследований установлено оптимальное соотношение
1 этап Растворение MgO с образованием Mg(ОН)2, процесс ускоряется в присутствии хлоридов и сульфатов магния, имеющихся в солевом растворе. Образуется пересыщенный раствор
2 этап С образованием пересыщенного раствора более интенсивно протекают топохимические процессы с образованием гелевидных масс
3 этап Кристаллизация с образованием устойчивых соединений
Возможно образование других неустойчивых соединений.
Процесс схватывания и твердения д.б. регулируемым. Сравнительно быстрое возникновение необратимой кристаллизационной структуры приведет к значительным внутренним напряжениям в местах образования контактов срастания, что снизит прочность камня. Регламентированные сроки схватывания:
Начало не ранее 20 мин, конец – не позднее 6 часов.
Прочностные характеристики: через 1 сутки прочность не менее 1.5 МПа,
28 сут. – 40, 50, 60 МПа
Возможная прочность 80-100 МПа.
НО! Затвердевший камень не водостойкий, обладает гигроскопичностью, при увлажнении возникают деформации набухания 0.5-1 мм/м, при сушке – усадка до 1.5 мм/м, т.е. усадка необратимая → трещины.
При контакте с водой происходит «вымывание» хлоридов магния.
Свойства каустического доломита ниже, чем магнезита6
Прочность 10, 15, 20, 30 МПа.
Сроки схватывания начало – 3-10 часов, конец 8-20 часов.
Приемы повышения водостойкости
1. Введение в состав затворителя добавки железного купороса
2. Введение фосфатных добавок, которые практически переводят магнезиальное вяжущее из воздушного в гидравлическое – фосфат содержащий магнезиальный цемент.
Например суперфосфат, каолино-хромфосфатные смеси.
(Са2, Mg4)(PO4)4 2Mg(OH)2 MgCl 27H2O
Образование приведенных соединений обуславливает повышение прочности, морозостойкости, при гидратации происходит расширение твердеющей системы 1.31-2.55 мм/м, приобретается щелочестойкость, возрастают адгезионные свойства.
При введении фосфат содержащих добавок отмечается удлинение сроков схватывания, что создает более благоприятные условия для образования кристаллической структуры.
3. Покрытие поверхности водозащитными составами. Например кремний органическими ГКЖ 9,ГКЖ 11
4. Введение 0.02-0.03% полимерной полисульфоновой добавки с последующим нагревом.
Применение магнезиальных вяжущих
Производство искусственного мрамора. Вяжущие имеют желтовато-белый или легкий розоватый оттенок, следовательно возможно введение пигментов для имитации мраморовидного рисунка.
Точильные камни, жернова
ТИМ – пеномагнезит, газомагнезит
Декоративные штукатурные растворы (с фосф. Доб)
Фосфат содержащий магнезиальный цемент, армированный стекловолокном применяется для изготовления специальных изделий
В связи с тем, что органические материалы не окисляются при сочетании с магнезиальными вяжущими, производят ксилолит – заполнитель древесные опилки, на ксилолитовой основе выпускают монолитные бесшовные полы, плиты, листовые материалы. Достоинством изделий являются: теплоизоляционные свойства, низкая плотность, хорошие акустические свойства. Конструкция монолитного пола – двухслойная, для нижнего слоя соотношение вяжущее: опил = 1:4, верхнего – 1:2 дополнительно вводят известняковую или доломитовую муку, тальк, песок.
При использовании древесной шерсти 1 : 0.6-0.7, получают фибролит – плитки размером 200х200х1.5, метод- прессования. Прочность 30 МПа
Прим. При обжиге до 1000 градусов из доломита получают доломитовую известь, при 1500-1600 – металлургический огнеупорный доломит
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).