влияние степени закристаллизованности периклаза на свойства

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННОСТИ ПЕРИКЛАЗА НА СВОЙСТВА МАГНЕЗИАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО
Т.Н. Черных инж., Л.Я. Крамар к.т.н., доц., Б.Я. Трофимов д.т.н.. проф., А.В. Шаповал, инж. (Южно-Уральский государственный университет)
http://stroymatexpert.ru/@D=32.html
Изучением процессов обжига магнезиальных пород с целью получения магнезиального вяжущего занимались многие ученые. Работы исследователей в этой области связаны в основном с обжигом магнезитовых пород. В частности Белянкиным Д.С. /1/ показано, что
при нагревании до 700…800оС магнезит теряет углекислоту и превращается в магнезию (MgO), которая, находясь первоначально в слабозакристаллизованном состоянии – альфа- MgO, известна под названием жженной магнезии или каустического магнезита. При
дальнейшем нагревании в комплексе молекул MgO происходит преобразование, и магнезия постепенно кристаллизуется переходя в бетта-MgO – периклаз. Форма альфа-MgO растворима в воде, форма бетта-MgO практически нерастворима и чрезвычайно устойчива
к действию воды. Общие положения, касающиеся разновидностей образующейся при разных температурах магнезии, предложенные исследователями при изучении процессов обжига магнезита, применимы и к другим высокомагнезиальным породам с учетом их
минералогических особенностей.
Температура и длительность обжига оказывают большое влияние на состав и свойства получаемого вяжущего. При низких температурах и недостаточном времени обжига в продуктах обжига остаются неразложившиеся минералы, а вяжущее в основном содержит
слабозакристаллизованный MgO, а при повышенных температуре и времени обжига формируется пережог. В обоих случаях происходит ухудшение качества вяжущих. В первом случае вяжущее отличается высокой склонностью к трещинообразованию уже в первые
несколько суток после затвердевания. Образование трещин в материале приводит в свою очередь к существенным сбросам прочности магнезиального камня и ухудшению всех характеристик материала /2/.
Во втором случае отрицательную роль играет пережог оксида магния – материал, инертный в начальные сроки твердения, но реагирующий с водой в сформировавшемся магнезиальном камне в более поздние сроки твердения с увеличением объема, что вызывает
напряжения в структуре материала и, как следствие, образование трещин /3,4/.
Следовательно, активность основной составляющей магнезиального вяжущего – магнезии (периклаза) играет решающую роль в формировании его свойств магнезиального камня и особенно его склонности к растрескиванию при твердении. Белянкин С.Д. и др.
исследователи /1, 5/ установили, что активность магнезии зависит от степени ее закристаллизованности, характеризуемой величиной кристаллов образующегося периклаза. Таким образом, степень закристаллизованности магнезии является основной
характеристикой активности и склонности формирующегося камня при твердении к растрескиванию магнезиальных вяжущих.
Целью настоящей работы было изучение взаимосвязи температуры и времени обжига бруситовой породы с размерами получаемых кристаллов периклаза, а также определение влияния степени закристаллизованности вяжущего на процессы твердения и склонность
формирующегося камня к растрескиванию.
Для выявления степени закристаллизованности периклаза проводили определение среднего размера кристаллов минерала с помощью рентгеноструктурного анализа.
Склонность вяжущих к трещинообразованию определяли на образцах-лепешках из магнезиального теста нормальной густоты, определенной на вискозиметре Суттарда по гипсовой методике. В качестве исходной породы использовали бруситовую породу
Кульдурского месторождения третьего сорта, отличающуюся высоким содержанием примесей серпентиноподобных минералов.
Размер кристаллов MgO определяли в вяжущих, полученных в интервале температур 500…1200оС, время обжига было фиксировано и составляло 2 часа, бруситовый щебень (смесь фракций 5…40 мм) обжигали в лабораторной камерой печи ПКЛ-1,2. После обжига и
остывания материал размалывали в вибромельнице и после дополнительного усреднения отбирали пробы.
В процессе исследования выявлена зависимость между температурой обжига и размером кристаллов периклаза, полученные данные сведены в таблицу 1, а вид этой зависимости представлен на рисунке 1.
Таблица 1. ¬– Размеры кристаллов MgO при изменении температуры обжига (количество повторов опыта – 3, коэффициент вариации – 4,2…6,6)
Рисунок 1 – Изменение величины размеров кристаллов MgO при изменении температуры обжига
Из рисунка 1 видно, что изменение размера кристаллов периклаза в процессе обжига происходит неравномерно, до температуры около 1000оС скорость роста кристаллов невысока и составляет в среднем 0,012…0,013 нм/град, а дальнейшее повышение
температуры приводит к активной кристаллизации оксида магния, скорость роста кристаллов повышается в 4-5 раз и составляет 0,056…0,061 нм/град. Такой характер изменения скорости кристаллизации MgO можно объяснить окончанием процесса разложения
исходных примесных минералов в породе при температурах свыше 1000оС и создания благоприятной среды для кристаллизации периклаза.
Из таблицы 1 видно, что получение вяжущих, не склонных к растрескиванию, возможно только при температурах близких к 1100оС, то есть при некоторых средних размерах кристаллов периклаза 38…45 нм. В остальных случаях получаются вяжущие, образующие
трещины в процессе твердения.
В магнезиальном камне из вяжущего высокой активности, полученного при низких температурах обжига, трещины образуются в самом начале твердения. Обычно они имеют вид сплошной сети, разбивающей магнезиальный камень на отдельные блоки (рис. 2).
Образование трещин в магнезиальном камне из такого вяжущего можно объяснить следующим: в начале твердения оксид магния, являясь чрезвычайно активным, начинает очень быстро гидратировать с образованием гидроксида магния. Параллельно с этим идет
реакция образования гидрооксихлоридов магния. Реакции протекают очень быстро с выделением тепла, растущие кристаллы гидрооксихлоридов образуют прочные твердые сростки, а излишки гидроксида магния вытесняются на периферию и распределяются по их
поверхности. В последующем гидроксид магния начинает отдавать лишнюю воду и уменьшаться в объеме, что приводит к образованию трещин усадки (при хранении на воздухе). Если поместить такой образец в воду, то прослойка из неводостойкого гидроксида
магния размягчится и образец распадется на пло
тные, прочные кусочки магнезиального камня, состоящего из гидрооксихлоридов магния. Вяжущее, полученное при высоких температурах обжига и имеющее в своем составе оксид магния в основном пониженной активности, при твердении образует трещины,
механизм формирования которых принципиально другой. В таком магнезиальном камне образуются отдельные сквозные трещины (рис. 3) в достаточно поздние сроки твердения, что связано с наличием в магнезиальном камне пережога оксида магния. Постепенная
гидратация сильнозакристаллизованного периклаза после затвердевания магнезиального вяжущего сопровождается увеличением объема и является причиной микротрещин и разрывов. В дальнейшем это приводит к образованию макротрещин и глобальных
разрушений в изделиях, изготовленных из такого вяжущего.
Магнезиальный камень из вяжущего, полученного при оптимальных режимах обжига с размером кристаллов MgO 38…43 нм, и имеющее среднюю активность не образует трещин при твердении (рис. 4).
Рисунок 2 – Магнезиальный камень из высокоактивного вяжущего
Рисунок 3 – Магнезиальный камень из низкоактивного вяжущего
Рисунок 4 – Магнезиальный камень из вяжущего средней активности
Таким образом, в результате проведенного исследования выявлено
1. Решающим фактором в формировании свойств магнезиального вяжущего строительного назначения, главным образом, склонности к трещинообразованию, является активность оксида магния, которая зависит от степени его закристаллизованности.
2. Несклонное к трещинообразованию вяжущее получается при некотором среднем значении активности MgO. Для магнезиального вяжущего из бруситовой породы третьего сорта Кульдурского месторождения оптимальным является размер кристаллов периклаза
38…43 нм и температура обжига 1100оС в течение 2 часов.
3. Обжиг при низких и высоких температурах приводит к получению вяжущих, образующих трещины в магнезиальном камне при твердении. В первом случае за счет усадочных явлений при удалении излишней воды из гидроксида магния, образовавшегося по
поверхности сростков из гидрооксихлоридов, во втором случае причиной растрескивания является низкоактивный MgO, гидратирующий в структуре сформировавшегося магнезиального камня с увеличением объёма.
Литература
1. Белянкин Д.С. и др. Петрография технического камня. Изд. АН СССР, 1952.
2. Ваганов А.П. Ксилолит. Производство и применение. М.: Госиздат, 1959.
3. Бетоны на магнезиальных вяжущих для водостойких полов/ Крамар Л.Я., Королев А.С., Горбаненко В.М., Нуждин С.В./ Сб. докладов научно-практической конференции «Проблемы повышения надежности и качества строительства. Челябинск, 2003.
4. Модифицированные магнезиальные вяжущие повышенной водостойкости/ Нуждин С.В., Крамар Л.Я., Трофимов Б.Я./ Сборник научных трудов. – НГАУ., 2002.
5. Химическая технология керамики и огнеупоров /Под общей ред. Будникова М.: Изд-во литературы по строительству, 1972.