Сорель цемент - Sorel cement

Сорель цемент (также известен как магнезиальный цемент или же оксихлорид магния) это негидравлический цемент впервые произведен Французский химик Станислас Сорель в 1867 г.[1]

Фактически, в 1855 году, до работы с соединениями магния, Станислас Сорел впервые разработал двухкомпонентный цемент путем смешивания оксид цинка порошок с раствором хлорид цинка.[2][3] За несколько минут он получил плотный материал тверже известняка.

Лишь десять лет спустя Сорел сменил цинк с магний в его формуле, а также получил цемент с такими же благоприятными свойствами. Этот новый вид цемента был сильнее и больше эластичный чем портландцемент, и поэтому выставил более устойчивый поведение при потрясении. Материал можно было легко формовать как штукатурка когда свежеприготовленные или обработанные на токарный станок после схватывания и затвердевания. Это было очень сложно, его можно было легко связать с разными типами материалов (хорошо клей properties) и окрашены пигменты. Поэтому его использовали для изготовления мозаика и подражать мрамор. После смешивания с хлопок измельченный в порошок, он также использовался как суррогат материал для слоновая кость изготовить бильярдные шары устойчив к ударам. [4]

Цемент Сорел представляет собой смесь магний оксид (сгорел магнезия ) с хлорид магния с примерным химическая формула Mg4Cl2(ОЙ)6(ЧАС2О )8, или MgCl2· 3Mg (OH)2· 8H2O, что соответствует массовому отношению 2,5–3,5 частей MgO к одной части MgCl2.[5]

Совершенно неожиданно, гораздо позже другой химик, Чарльз А. Соррелл (1977, 1980), чья фамилия звучит очень похоже на фамилию Станислава Сореля, также изучил эту тему и опубликовал работы по тому же семейству оксихлоридных соединений на основе цинк и магний точно так же, как это сделал Сорел около 100 лет назад. В оксихлорид цинка цемент готовится из оксид цинка и хлорид цинка вместо соединений магния.[6][7]

Состав и структура

Затвердевший цемент состоит в основном из смеси оксихлориды магния и гидроксид магния в различных пропорциях, в зависимости от исходного состава цемента, времени схватывания и других переменных. Основными стабильными оксихлоридами при температуре окружающей среды являются так называемые «фаза 3» и «фаза 5», формулы которых можно записать как 3Mg (OH)
2·MgCl
2·8ЧАС
2О и 5Mg (OH)
2·MgCl
2·8ЧАС
2О, соответственно; или, что то же самое, Mg
2(ОЙ)
3Cl·4ЧАС
2О и Mg
3(ОЙ)
5Cl·4ЧАС
2О.[8]

Фаза 5 кристаллизуется в основном в виде длинных игл, которые фактически представляют собой свернутые листы. Эти взаимосвязанные иглы придают цементу прочность.[9]

В долгосрочной перспективе оксихлориды поглощают и реагируют с углекислый газ CO
2 с воздуха, чтобы сформировать хлоркарбонаты магния.[10]

История

Эти составы являются основными компонентами созревшего цемента Сорель, впервые полученного в 1867 г. Станислас Сорель.[1]

В конце 19 века было предпринято несколько попыток определить состав затвердевшего цемента Сореля, но результаты не были окончательными.[11][12][13][14] Фаза 3 была должным образом изолирована и описана Робинсоном и Ваггаманом (1909),[11] а фаза 5 была идентифицирована Люкенсом (1932).[15]

Характеристики

Цемент Sorel выдерживает 10 000–12 000 psi (69–83 МПа) сжимающей силы, тогда как стандартная портландцемент обычно может выдерживать только 7 000–8 000 фунтов на квадратный дюйм (48–55 МПа). Кроме того, он обеспечивает высокую прочность за более короткое время.[16]

Цемент Sorel обладает замечательной способностью связываться с другими материалами и удерживать их. Здесь также представлены некоторые эластичность, интересное свойство, повышающее его способность противостоять ударам (лучше механическая устойчивость ), особенно полезно для бильярдные шары.

Поровый раствор влажного цемента Сорель слабощелочной (pH От 8,5 до 9,5), но значительно меньше, чем у портландцемента (сверхщелочные условия: pH от 12,5 до 13,5).[17]

Другие различия между цементами на основе магния и портландцементом включают водопроницаемость, сохранение веществ растений и животных и коррозию металлов.[18] Эти различия делают подходящими различные строительные конструкции.[19]

Длительное воздействие воды на цемент Sorel выщелачивает из растворимого MgCl
2, оставляя гидратированный брусит Mg (OH)
2 в качестве связывающей фазы, которая без поглощения CO
2, может привести к потере прочности.[17]

Наполнители и арматура

При использовании цемент Sorel обычно сочетается с наполнителями, такими как гравий, песок, мраморная мука, асбест, древесные частицы и вспученные глины.[20]

Цемент Sorel несовместим со стальной арматурой, поскольку присутствие ионов хлора в поровом растворе и низкая щелочность (pH <9) цемента способствуют коррозии стали (точечная коррозия ).[17] Однако низкая щелочность делает его более совместимым с армирование стекловолокном.[20] Также он лучше портландцемента в качестве связующего для композиты из дерева, так как его установка не задерживается лигнин и другие химические вещества для древесины.[20]

Водостойкость цемента можно повысить с помощью таких добавок, как фосфорная кислота, растворимый фосфаты, летучая зола, или же кремнезем.[17]

Использует

Цемент на основе оксихлорида магния используется для изготовления напольная плитка и промышленные напольное покрытие, в противопожарная защита, изоляция стен панелей, и как связующее для шлифовальные круги.[20] Из-за своего сходства с мрамор, он также используется для искусственные камни,[20] искусственный слоновая кость (например, для бильярдные шары ) и другие подобные цели.

Цемент Sorel также изучается в качестве материала-кандидата для создания химических буферов и инженерных барьеров (пробки из соляной бетон ) за глубокие геологические хранилища из высокоактивные ядерные отходы в соляных образованиях (Опытная установка по изоляции отходов (WIPP) в Нью-Мексико, США; Соляная шахта Ассе II, Горлебен и Morsleben в Германии).[21][22][23] Этап 5 оксихлорид магния может быть полезным дополнением или заменой для MgO (периклаз ) в настоящее время используется как CO
2 геттер в камерах утилизации WIPP, чтобы ограничить растворимость из второстепенные актиниды карбонатные комплексы, создавая умеренно щелочные условия (pH: 8,5–9,5), все же совместимые с ненарушенными геохимическими условиями, изначально преобладающими in situ в солевых формациях. Гораздо более растворимый оксид кальция и гидроксид (портландит ) не авторизованы в WIPP (Нью-Мексико), потому что они установят слишком высокий pH (12,5). В качестве Mg2+
 второй по численности катион присутствует в морская вода после Na+
, и что соединения магния менее растворимы, чем соединения кальция, буферные материалы на основе магния и цемент Сорель считаются более подходящими материалами обратной засыпки для захоронение радиоактивных отходов в глубоких солевых образованиях, чем обычные цементы на основе кальция (портландцемент и их производные). Более того, поскольку гидроксихлорид магния также возможно буфер pH в морском эвапорит рассолы Ожидается, что цемент Сорель будет в меньшей степени нарушать начальные условия на месте залегания, преобладающие в глубоких соляных пластах.[24]

Подготовка

Цемент Сорель обычно получают путем смешивания мелкодисперсного MgO порошок с концентрированным раствором MgCl
2.[17]

Теоретически ингредиенты должны быть объединены в молярных пропорциях фазы 5, которая имеет наилучшие механические свойства. Однако химические реакции, которые создают оксихлориды может не дойти до завершения, оставив нереагировавшим MgO частицы и / или MgCl
2 в поровом растворе. Хотя первые действуют как инертный наполнитель, оставшийся хлорид нежелателен, поскольку он способствует коррозии стали при контакте с цементом. Для достижения приемлемой консистенции также может потребоваться избыток воды. Поэтому на практике доли оксида магния и воды в исходной смеси выше, чем в чистой фазе 5.[20] В одном исследовании лучшие механические свойства были получены при молярном соотношении MgO:MgCl
2 из 13: 1 (вместо стехиометрия 5:1).[20]

Производство

Периклаз (MgO) и магнезит (MgCO
3) не являются обильным сырьем, поэтому их производство в цемент Sorel является дорогостоящим и ограничивается специализированными нишевыми приложениями, требующими небольших количеств материалов. Китай является доминирующим поставщиком сырья для производства оксида магния и его производных.[нужна цитата ] На основе магния »зеленые цементы "полученный из более многочисленных доломит ((Ca, Mg) (CO
3)
2) депозиты (долестон ), но также содержащий 50 вес. % карбонат кальция, не следует путать с оригинальным цементом Sorel, так как позже он не содержит оксид кальция. Действительно, цемент Sorel - чистый оксихлорид магния.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Сорел Станислав (1867). "Sur un nouveau ciment magnésien ". Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences, том 65, страницы 102–104.
  2. ^ Сорел Станислав (1856 г.). Procédé pour la Forming d'un ciment très-solide par l'action d'un chlorure sur l'oxyde de zinc. Bulletin de la Société d'Encouragement pour l'Industrie Nationale, 55, 51–53.
  3. ^ Соучу, Филипп (18 апреля 2012 г.). "Цимент Сорель". Сайт Documentaire du Lerm. Получено 2020-07-08.
  4. ^ Шевалье, Мишель (1868). "Exposition Universelle de 1867 à Paris. Rapports du Jury International, Tome dixième, Groupe VI, Arts Usuels - Class 65 - Section I, Chapitre 3 - Matériaux artificiels, § 5 - Ciment d'oxychlorure de magnésium, 80–83". archive.org/. Imprimerie Administrative de Paul Dupont, Париж. Получено 2020-07-08.
  5. ^ Холлеман, А. Ф .; Виберг, Э. (2001). "Неорганическая химия". Academic Press, Сан-Диего. ISBN  0-12-352651-5.
  6. ^ Соррелл, Чарльз А. (1977). «Предлагаемый химический состав цементов на основе оксихлорида цинка». Журнал Американского керамического общества. 60 (5–6): 217–220. Дои:10.1111 / j.1151-2916.1977.tb14109.x. ISSN  0002-7820.
  7. ^ Урвонгсе, Ладаван; Соррелл, Чарльз А. (1980). «Система MgO-MgCl2-ЧАС2O при 23 ° C ». Журнал Американского керамического общества. 63 (9–10): 501–504. Дои:10.1111 / j.1151-2916.1980.tb10752.x. ISSN  0002-7820.
  8. ^ Исао Канесака и Шин Аояма (2001). «Спектры колебаний магнезиального цемента, фаза 3». Журнал Рамановской спектроскопии, том 32, выпуск 5, страницы 361-367. Дои:10.1002 / младший 706
  9. ^ Б. Тупер и Л. Картц (1966). «Структура и формирование оксихлоридных цементов Sorel». Природа, том 211, страницы 64–66. Дои:10.1038 / 211064a0
  10. ^ В. Ф. Коул и Т. Демедиук (1955). «Рентгеновские, термические и дегидратационные исследования оксихлоридов магния». Австралийский химический журнал, том 8, выпуск 2, страницы 234-251. Дои:10.1071 / CH9550234
  11. ^ а б У. О. Робинсон и У. Х. Ваггаман (1909): «Основные хлориды магния». Журнал физической химии, том 13, выпуск 9, страницы 673–678. Дои:10.1021 / j150108a002
  12. ^ Дэвис Дж. У. К. (1872 г.). "Состав кристаллического осадка из раствора хлорида магния и аммония. ". Химические новости и журнал физических наук, том 25, страница 258.
  13. ^ Отто Краузе (1873 г.): "Ueber Магнийоксихлорид ". Annalen der Chemie und Pharmacie, том 165, страницы 38–44.
  14. ^ Андре Г. (1882). "Sur les oxychlorures de magnésium ". Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences, том 94, страницы 444–446.
  15. ^ Люкенс Х.С. (1932). «Состав оксихлорида магния». Журнал Американского химического общества, том 54, выпуск 6, страницы 2372–2380. Дои:10.1021 / ja01345a026
  16. ^ Ронан М. Доррепаал и Аойф А. Гоуэн (2018). «Идентификация неоднородности биоматериала цементного оксихлорида магния с использованием комбинационного химического картирования и гиперспектральной химической визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне». Научные отчеты, том 8, статья № 13034. Дои:10.1038 / s41598-018-31379-5
  17. ^ а б c d е Амаль Брични, Халим Хамми, Салима Аггун и М'ниф Адель (2016). «Оптимизация свойств цемента оксихлорида магния кварцевым стеклом». Достижения в области исследований цемента (Материалы конференции Springer). Дои:10.1680 / jadcr.16.00024
  18. ^ "Картикеян Н., Сатишкумар А. и Деннис Джозеф Радж В. (2014). Влияние на схватывание, прочность и водостойкость цемента Sorel при смешивании летучей золы в качестве добавки. Международный журнал исследований в области машиностроения и робототехники, том 3 , № 2, 251–256 " (PDF).
  19. ^ Ду, Чунцзян (1 декабря 2005 г.). «Обзор оксида магния в бетоне». Concrete International. 27 (12).
  20. ^ а б c d е ж грамм Zongjin Li и C.K. Chau (2007). «Влияние мольных соотношений на свойства оксихлоридного цемента магния». Цемент и бетонные исследования, том 37, выпуск 6, страницы 866-870. Дои:10.1016 / j.cemconres.2007.03.015
  21. ^ Уоллинг, Сэм А .; Провис, Джон Л. (2016). «Цементы на магнезиальной основе: путь в 150 лет и цементы будущего?». Химические обзоры. 116 (7): 4170–4204. Дои:10.1021 / acs.chemrev.5b00463. ISSN  0009-2665. PMID  27002788.
  22. ^ Министерство энергетики США (2016). "Труды 6-го американо-германского семинара по исследованию, проектированию и эксплуатации хранилищ солей, 11 января 2016 г." (PDF). www.energy.gov/. США-DOE. Получено 2020-07-12.
  23. ^ Сюн, Юнлян; Дэн, Хаорань; Немер, Мартин; Йонсен, Шелли (2010). «Экспериментальное определение константы растворимости гидрата гидроксида магния (Mg
    3    Cl (ОН)
    5    · 4H
    2    О    , этап 5) при комнатной температуре, и его важность для изоляции ядерных отходов в геологических хранилищах в соляных образованиях ». Geochimica et Cosmochimica Acta. 74 (16): 4605–4611. Дои:10.1016 / j.gca.2010.05.029. ISSN  0016-7037.
  24. ^ Бодин, М. В. Младший (1976). "Гидроксихлорид магния: возможный буфер pH в морских эвапоритовых рассолах?" Геология, том 4, выпуск 2, 76–80. Дои:10.1130 / 0091-7613 (1976) 4 <76: MHAPPB> 2.0.CO; 2