Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός μαγνησιούχων δομικών υλικών με βάση τον νεσκεχονίτη
Authors: Σκληρός Βασίλειος 
Published: November 2023

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό μαγνησιούχων δομικών υλικών με βάση τον νεσκεχονίτη, τα οποία βασίζονται στην ενυδάτωση της καυστικής μαγνησίας (MgO). Η έρευνα εστιάστηκε στην σύνθεση και χαρακτηρισμό του νεσκεχονίτη, την ανάπτυξη μαγνησιούχων κονιαμάτων με την προσθήκη νεσκεχονίτη και τον ορυκτολογικό χαρακτηρισμό αυτών, ενώ παράλληλα πραγματοποιήθηκε μελέτη των αντιδράσεων του συστήματος MgO-Mg(HCO3)CO3·2H2O. Ο νεσκεχονίτης αποτελεί το θερμοδυναμικά σταθερότερο ένυδρο ανθρακικό ορυκτό του μαγνησίου. Εργαστηριακά, η σύνθεσή του πραγματοποιήθηκε με δύο μεθόδους, εκ των οποίων η μία αποτέλεσε μέθοδο αντίδρασης με CO2: α) αντίδραση του MgCl2 με CO2 και β) αντίδραση MgCl2 με Νa2CO3. Για την επίτευξη της σύνθεσης του νεσκεχονίτη από την αντίδραση MgCl2 με CO2 πραγματοποιήθηκαν δύο πειραματικές διαδικασίες: α) αντίδραση MgCl2 με CO2 και NaHCO3, και β) αντίδραση MgCl2 με CO2 και NH3. Με τη χρήση του υπολογιστικού προγράμματος PHREEQC υπολογίστηκε ότι σε pH = 9,3 αρχίζει η καταβύθιση του νεσκεχονίτη στο διάλυμα. Όλες οι πειραματικές παράμετροι σύνθεσης του νεσκεχονίτη, όπως η θερμοκρασία αντίδρασης, η αναλογία των αντιδρώντων, η ανάδευση του διαλύματος και ο χρόνος ηρεμίας, βελτιστοποιήθηκαν κατά την επαναληψιμότητα των συνθέσεων. Η ταυτοποίηση και ο χαρακτηρισμός του συνθετικού νεσκεχονίτη έπειτα από κάθε σύνθεση πραγματοποιήθηκε, κυρίως, με τη μέθοδο της περιθλασιμετρίας Ακτίνων-Χ. Η παρατήρηση του νεσκεχονίτη στο στερεοσκόπιο και στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) έδειξε πως ο νεσκεχονίτης δημιουργεί επιμήκεις, πρισματικούς κρυστάλλους ακτινωτά γύρω από έναν πυρήνα, με μορφή ροζέτας. Πειραματικά παρατηρήθηκε ότι μεγαλύτεροι χρόνοι ηρεμίας του νεσκεχονίτη στο διάλυμα μετά την αντίδραση, επηρεάζουν θετικά το μέγεθος των κρυστάλλων του νεσκεχονίτη (μεγαλύτεροι κρύσταλλοι), αλλά αρνητικά την κατανομή τους (μειωμένη ομογένεια της κοκκομετρικής κατανομή των κρυστάλλων). Με με την αναλυτική μέθοδο BET υπολογίστηκε η ειδική επιφάνεια του νεσκεχονίτη στα 4,9 m2/g.Ο χημικός τύπος του νεσκεχονίτη αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας, αναφορικά με την παρουσία ή μη υδροξυλίων στο πλέγμα του. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε αν ο νεσκεχονίτης που αναπτύχθηκε εκφράζεται καλύτερα από τον τύπο (i) MgCO3·3H2O ή (ii) Μg(HCO3)(OH)·2H2O. Μέσω της μελέτης της θερμικής διάσπασης του νεσκεχονίτη σε συνδυασμό με τη φασματοσκοπία Raman, και συμπληρωματικά την περιθλασιμετρία Ακτίνων Χ (XRD) και τη φασματομετρία υπέρυθρης ακτινοβολίας (FTIR) προσεγγίστηκε ο χημικός τύπος του νεσκεχονίτη ως Μg(HCO3)(OH)·2H2O. Στη συνέχεια, παρασκευάστηκαν κονιάματα τα οποία βασίστηκαν στην ενυδάτωση της καυστικής μαγνησίας, παρουσία νεσκεχονίτη. Οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ο νεσκεχονίτης, η καυστική μαγνησία, η πυριτική άμμος και η φυσική ποζολάνη. Ο νεσκεχονίτης που χρησιμοποιήθηκε ήταν προϊόν της αντίδρασης ΜgCl2 με Νa2CO3 και έφερε ομοιογενή κατανομή στους κρυστάλλους του και χαμηλή κοκκομετρία. Η καυστική μαγνησία και η ποζολάνη μελετήθηκαν ως προς την ορυκτολογική σύστασή τους και την κοκκομετρική διαβάθμισή τους. Με περαιτέρω λειοτρίβηση της καυστικής μαγνησίας και της ποζολάνης παρατηρήθηκε αύξηση της ειδικής επιφάνειας. Για τη διερεύνηση των βέλτιστων αναλογιών των συστατικών του συνδετικού υλικού των κονιαμάτων που παρασκευάστηκαν, μελετήθηκαν διαφορετικές συστάσεις μιγμάτων ως προς τις αντοχές τους σε δοκιμή μονοαξονικής θλίψης. Αρχικά μελετήθηκαν δοκίμια κονιαμάτων με αναλογία 80/20 καυστική μαγνησία/νεσκεχονίτη. Στη συνέχεια μελετήθηκαν κονιάματα ως προς τις αντοχές τους με την προσθήκη 50% φυσικής ποζολάνης στα συστατικά τους. Η ποσότητα άμμου που χρησιμοποιήθηκε σε όλα τα δοκίμια ήταν σε αναλογία 60/40 - άμμος/συνδετικό υλικό. Οι διαφορετικές συνθέσεις κονιαμάτων που πραγματοποιήθηκαν είχαν ως σκοπό να εξεταστεί ο ρόλος διαφορετικών παραμέτρων στις αντοχές των κονιαμάτων με βάση το MgO παρουσία νεσκεχονίτη. Οι παράμετροι που τροποποιήθηκαν κατά την σύνθεση των κονιαμάτων ήταν ο λόγος νερού (W) προς συνδετικό υλικό (C) - W/C, η θερμοκρασία παραγωγής του ΜgO, η κοκκομετρική διαβάθμιση των πρώτων υλών και η προσθήκη φυσικής ποζολάνης στο συνδετικό υλικό. Για περαιτέρω ορυκτολογική ανάλυση επιλέχθηκαν τα δείγματα CMN_W(40), CMN_mp_1 και CMN_POZ_2 τα οποία παρουσίασαν όρια θραύσης 18,3, 22,28 και 21,87 MPa, αντίστοιχα. Το δείγμα CMN_W(40) επιλέχθηκε με βάση την βέλτιστη αναλογία W/C (=0,4). Το CMN_mp_1 περιείχε στα συστατικά του λειοτριβημένη MgO, παρουσιάζοντας όριο θραύσης μεγαλύτερο του CMN_(W40). Το CMN_POZ_2 επιλέχθηκε λόγω της προσθήκης φυσικής ποζολάνης στα συστατικά του συνδετικού υλικού. Η περεταίρω λειοτρίβηση των πρώτων υλών που χρησιμοποιήθηκαν κατά την παραγωγή των κονιαμάτων βελτίωσε την ενυδάτωση των συστατικών των κονιαμάτων και ως επί το πλείστον τις αντοχές σε μονοαξονική θλίψη.Ακολούθως, με την συνδυαστική χρήση των αναλυτικών μεθόδων της περιθλασιμετρίας Ακτίνων-Χ, της οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, της φασματοσκοπίας υπέρυθρης ακτινοβολίας κατά Fourier (FTIR) και της θερμικής ανάλυσης χαρακτηρίστηκε ορυκτολογικά το συνδετικό υλικό των μαγνησιούχων κονιαμάτων ως προς τα προϊόντα ενυδάτωσής του. H ορυκτολογική ανάλυση των κονιαμάτων έδειξε, κυρίως, την παρουσία στο συνδετικό υλικό των εξής νέων φάσεων: i) Βρουσίτη, ii) MS/MSH, iii) MC/MCH και iv) άμορφων ανθρακικών φάσεων του μαγνησίου (ΑΜC). Κατά την μελέτη με οπτική και ηλεκτρονική μικροσκοπία παρατηρήθηκε ότι στο CMN_mp_1 το MgO ενυδατώθηκε, αντέδρασε και καταναλώθηκε σε μεγαλύτερο ποσοστό από ότι στο CMN_W(40). Η προσθήκη ποζολάνης (CMN_POZ_2), ομοίως βελτίωσε την κατανάλωση του μεγαλύτερου ποσοστού του MgO κατά την πήξη των κονιαμάτων.Η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων μαγνησιούχων δομικών υλικών με βάση τον νεσκεχονίτη εστιάστηκε στο μηχανισμό ενυδάτωσης του MgO. Η προσθήκη νεσκεχονίτη φάνηκε να τροποποιεί το μηχανισμό ενυδάτωσης του MgO, και επομένως να επηρεάζει τις αντοχές σε μονοαξονική θλίψη μαγνησιούχων κονιαμάτων. O λόγος W/C αποτέλεσε την πιο σημαντική παράμετρο ως προς την ενυδάτωση των κονιαμάτων και εντέλει τις τελικές αντοχές τους σε δοκιμή μονοαξονικής θλίψης. Η μείωση του λόγου W/C αύξησε τις θλιπτικές αντοχές των δοκιμίων στη δοκιμή μονοαξονικής θλίψης. Με την προσθήκη του νεσκεχονίτη, δημιουργούνται φάσεις που παρουσιάζουν υδραυλική συμπεριφορά με αποτέλεσμα τα κονιάματα να αποκτούν μεγαλύτερες αντοχές στη δοκιμή μονοαξονικής θλίψης. Η προσθήκη ποζολάνης οδήγησε στο σχηματισμό MSH με γενικό χημικό τύπο (MgO)x-(SiO2)y-(H2O)z, ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων στο σύστημα MgO-SiO2-H2O, ενώ παράλληλα μείωσε τις απαιτούμενες ποσότητες σε καυστική μαγνησία. Συμπερασματικά, από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε ότι η προσθήκη μιας ένυδρης ανθρακικής φάσης του μαγνησίου, όπως ο νεσκεχονίτης, βελτιώνει την ενυδάτωση του MgO, σχηματίζοντας νέες υδραυλικές φάσεις.