МАГНЕЗИАЛЬНОЕ ВЯЖУЩЕЕ
MAGNESITE CEMENT

Изобретение относится к составам вяжущего и может найти применение в качестве уплотняющего и строительного материала в различных областях народного хозяйства, в том числе в судостроении для уплотнения проходов кабельных трасс, в атомной и нефтеперерабатывающей промышленности, в производстве строительных материалов и художественно-декоративных изделий.
Известна сырьевая смесь для получения магнезиального цемента (SU 1560501, С04В 9/00,1990). Она содержит каустический магнезит, раствор хлористого магния или бишофита, обработанный в автоклаве фосфогипс в смеси с доломитом и доломитовой известью в соотношении от 3:1:1 до 2:1:1 и дополнительно молотый доломит при следующем соотношении компонентов, мас.%: каустический магнезит 45-50; раствор хлористого магния или бишофита 4-6; обработанный в автоклаве фосфогипс в смеси с доломитом и доломитовой известью в соотношении от 3:1:1 до 2:1:19-26; молотый доломит 25-35.
Недостатком сырьевой смеси является усадка при отверждении, что снижает ее уплотняющие свойства. Кроме того, недостатком смеси является низкая воспроизводимость ее физико-механических характеристик вследствие недостаточно определенного химического состава природных компонентов, использованных для приготовления смеси.
Известно магнезиальное вяжущее RU 2104979, 03.04.1997, С04В 9/04, включающее в себя каустический магнезит, хлористый магний или бишофит, сульфат кальция, аморфную двуокись кремния (в форме кремниевой кислоты) и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: каустический магнезит 35-50, хлористый магний или бишофит 17-24, сульфат кальция 6-10, аморфная двуокись кремния 1,5-3, вода - остальное. Кроме того, вяжущее может содержать добавку талька или древесной муки. Эффект расширения при отверждении возникает за счет совместной кристаллизации кристаллогидратов сульфата кальция и кремниевой кислоты.
Это решение принято в качестве прототипа. Указанная в прототипе смесь обеспечивает получение самонапрягающего цемента за счет его объемного расширения в процессе отверждения. Жидко-вязкая смесь обладает высокой текучестью в течение ограниченного времени (до 1 часа), позволяющей наполнять текучей массой под давлением различные полости через узкие проходы (щели, трубки). Именно это свойство используется для уплотнения кабельных проходов, встроенных в переборки подводных и надводных судов.
К недостаткам описанного выше магнезиального вяжущего можно отнести то, что оно обладает недостаточной консистенцией уплотняющей герметизирующей массы (представляет собой вязкую жидкость весь период времени до отверждения), что затрудняет заполнение вертикально расположенных объемов, подлежащих герметизации, из-за сползания массы (например, герметизация коробок для прохождения кабельных трасс, других проходов со значительной площадью вертикально расположенных сечений), где приходится применять сложные специальные временные заслонки с нанесением слоев антиадгезивов и т.п. Тем более нельзя наносить этот состав вяжущего на вертикальные и потолочные поверхности из-за сползания массы под действием собственного веса до момента ее отверждения.
Задачей настоящего изобретения является изменение и регулирование реологических свойств вяжущего путем придания ему свойств тиксотропии, т.е. создания пространственной структуры, препятствующей растеканию в покое, которая разрушается мгновенно при приложении механической нагрузки. Как только нагрузка снимается, масса вяжущего вновь становится структурированной и способна удерживать форму в течение времени, необходимого для ее отверждения.
3
Поставленная задача решена следующим образом. Магнезиальное вяжущее включает порошкообразные компоненты - каустический магнезит в качестве основы, смесь кальция сульфата, аморфной кремниевой кислоты и древесной муки в качестве расширяющей добавки и отвердитель - водный раствор магния хлорида или бишофита с плотностью 1200-1220 кг/м и отличается тем, что оно дополнительно содержит структурирующую тиксотропную добавку - аэросил гидрофобизированный при следующем соотношении порошкообразных компонентов, мас.%:
каустический магнезит
76,2-80,7
кальция сульфат
12,1-13,2
кремниевая кислота
2,2-3,4
древесная мука
4,8-6,3
аэросил гидрофобизированный
0,2-0,9
и соотношении указанных порошкообразных компонентов и отвердителя, мас.%: 55-60:40-45.
2
Удельная поверхность аэросила гидрофобизированного составляет диапазон - 300-380 м/г.
2
В настоящем изобретении была достигнута обратимая тиксотропная структура в результате введения в состав вяжущего (на водной основе) гидрофобизированного аэросила (пирогенный диоксид кремния, обработанный алкоксисиланами) с высокой удельной поверхностью (300-380 м/г). Обязательным условием получения тиксотропной структуры является модификация поверхности частиц аэросила гидрофобным модификатором, например, полидиметилсилоксаном или другими алкилсилоксанами (марка «аэросил гидрофобизированный»). Наличие последних на поверхности высокодисперсных частиц аэросила препятствует его смачиванию в составе вяжущего и обеспечивает формирование пространственной сетчатой структуры, способной к распаду при механическом воздействии и восстановлению при снятии нагрузки. Вследствие нерастворимости аэросила в водно-солевой среде и отсутствия образования гидратов он не участвует во взаимодействии с кальция сульфатом.
Обычно аэросил (без гидрофобизирующего покрытия) используется как антислеживатель для сыпучих материалов и для загущения (повышения вязкости) водных составов, например, в фармацевтической промышленности. Аэросил гидрофобизированный используется в производстве лаков и красок (также для загущения) на органической основе. Авторы применили гидрофобизированный аэросил в составе цементной массы на водной основе и за счет несмачивания его поверхности и образования сетчатой проникающей структуры получили эффект тиксотропии, обозначенный как техническая задача изобретения.
Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в обеспечении возможности регулирования в широком диапазоне реологических характеристик состава вяжущего от вязко-текучего до тиксотропного (т.е. текучего только под влиянием внешнего силового воздействия) состояния.
Проведенные авторами исследования показали, что получение технического результата, воспроизводимость свойств материала и регулирование его эксплуатационных свойств достигается варьированием соотношений компонентов в указанных пределах.
Изготавливают магнезиальное вяжущее следующим образом.
1. Готовят расширяющую добавку путем смешения расчетных количеств кальция сульфата, древесной муки и аморфной кремниевой кислоты.
2. Вводят расчетное количество аэросила (структурирующая тиксотропная добавка) при перемешивании в состав расширяющей добавки по пункту 1.
3. Готовят смесь основы - порошка каустического магнезита с расширяющей и структурирующей добавками, в расчетных количествах, полученных по пункту 2.
4. Готовят в отдельном реакторе отвердитель - водный раствор хлористого магния (или бишофита) путем смешения указанной соли с водой (в расчетных количествах) до полного растворения.
5. Цементную сырую массу готовят смешением порошкообразной части, изготовленной по пункту 3 с отвердителем, полученным по пункту 4, при соотношении порошок/отвердитель в расчетных количествах.
Для определения уплотняющих свойств состава магнезиального вяжущего готовят образцы, заполняя полые толстостенные цилиндры с внутренним диаметром 20 мм и высотой 50 мм сырой массой. Отверждение образцов проводят в течение 24 суток при комнатной температуре и равновесной влажности. После отверждения образцы выпрессовывают из цилиндров, замеряя усилие выталкивания, которое является мерой самонапрягающих свойств цемента, т.е. его способности расширяться и уплотнять зазоры и полости.
Для определения консистентных свойств цемента готовят образцы, выталкивая поршнем столбик сырой массы из мерной формы на плоскую пластину из фторопласта. Затем в течение 10 минут наблюдают растекание массы, замеряют изменение диаметра пятна, что является мерой растекаемости или напротив способностью сохранять форму при температуре 20±2°С.
Примеры составов магнезиального вяжущего и результаты испытаний представлены в таблице.
Во всех примерах 1-4, приведенных в таблице, столбик неотвержденной массы легко выдавливается поршнем через отверстие в дне формы, что свидетельствует о хорошей текучести массы. Однако, после выдавливания, масса в разных примерах ведет себя совершенно по-разному: в примерах 1-2 (без аэросила) сразу же наблюдается оползание столбика и растекание массы в виде пятна. В примерах 3-4 (где содержится гидрофобизированный аэросил), при снятии механической нагрузки пространственная структура немедленно восстанавливается и оседания или растекания столбика массы не происходит (проявляется эффект тиксотропии). Именно это свойство позволяет применять магнезиальное вяжущее предложенного состава для заполнения кабельных коробок без специальных приспособлений для удержания цементной массы от вытекания на период отверждения, других объектов со значительной площадью вертикальных сечений, монтажа изделий с вертикальными и потолочными поверхностями. Кроме того, при отверждении, магнезиальный цемент, содержащий добавку аэросила, обладает высоким уровнем самонапрягающих свойств, что в значительной степени превышает таковой для состава без аэросила (примеры 1-2) и соответственно обеспечивает лучшее уплотнение и герметизацию объектов и изделий. Этот важный технический результат нельзя было предвидеть, т.к. аэросил гидрофобизированный не способен к образованию кристаллогидратов, ответственных за эффект расширения при отверждении. Полученный эффект по-видимому связан с формированием проникающей пространственной сетки из гидрофобизированных частиц аэросила по всей массе цемента.
Таким образом, показано, что за счет определенного выбора состава и соотношения компонентов достигнут эффект регулирования в широком диапазоне реологических характеристик вяжущего от вязко-текучего до тиксотропного (т.е. текучего только под влиянием внешнего силового воздействия) состояния и при этом достигнуто увеличение степени уплотнения за счет увеличения объемного расширения.
Проведенные исследования подтвердили, что выход составляющих за пределы указанного соотношения приводит к нарушению технологического режима заполнения полостей, отрицательно сказывается на уплотнительных свойствах вяжущего.
Полученное согласно изобретению магнезиальное вяжущее представляет собой двухкомпонентный материал, состоящий из порошкообразного состава и водного раствора отвердителя.
Магнезиальное вяжущее приготавливают из компонентов определенного химического состава, что обеспечивает воспроизводимость его физико-механических свойств и характеристик.