Магнезиальное вяжущее с добавкой микрокремнезема

УДК 666.9

Ю.В. Устинова, А.Е. Насонова, Т.П. Никифорова, В.В. Козлов

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

МАГНЕЗИАЛЬНОЕ ВЯЖУЩЕЕ С ДОБАВКОЙ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА

Методом электронной спектроскопии изучена структура искусственного камня, получаемого в результате твердения сухой смеси на основе каустического магнезита с добавлением микрокремнезема, что позволяет получить вяжущее, образующее прочный водостойкий искусственный камень. Приведены результаты исследования полученного искусственного камня методом ИК-Фурье спектроскопии. Предположено взаимодействие между оксидом магния и микрокремнеземом, как между кислотным и основным оксидами.

Ключевые слова: магнезиальные вяжущие, водостойкость, прочность, микрокремнезем, добавка, сухая смесь, ИК-Фурье спектроскопия, электронная микроскопия, воздушное твердение, гидравлическое твердение.

На кафедре общей химии Московского государственного строительного университета в течение ряда лет проводятся исследования по повышению водостойкости изделий на основе каустического магнезита, MgO [1—3]. В ходе этих работ были изучены свойства добавки микрокремнезема (1:6) на свойства цементной смеси.

Отличительная особенность магнезиального вяжущего в том, что его затворяют не водой, а растворами солей, как правило, MgQ2 или реже MgSO4. Данные добавки необходимы для того, чтобы понизить рН смеси, так как прочность искусственного камня на основе магнезиального цемента придают цепочечные структуры - Mg - О -Mg - О -, не образующиеся в сильно щелочной среде. С этой же целью в состав смеси вводят кислоты — серную, фосфорную, щавелевую [4].

Следует отметить, что использование в качестве затворителя солевого раствора имеет ряд недостатков. Для полного растворения соли требуется определенное время. При этом включения нерастворенного хлорида или сульфата магния снижают прочность магнезиального камня и существенно понижают его водостойкость. Сам шестиводный хлорид магния является гигроскопичным веществом, его масса может меняться на 15...20 % в зависимости от влажности воздуха, что затрудняет расчеты при приготовлении смесей.

некоторые исследователи пытаются ликвидировать эти недостатки. в частности, в [5] каустический магнезит предлагается затворять водой, подвергнутой воздействию электрических импульсов. однако удовлетворительный результат пока не получен.

Для решения данных задач нами было решено исследовать добавку микрокремнезема — особо тонкий порошок диоксида кремния с размером частиц от 0,1 до 0,2 мкм. Удельная площадь поверхности — от 15 до 20 тыс. м2 на кг. Для достижения указанной цели работа проводилась в три этапа.

в литературе описано применение микрокременезема как добавки полифункционального действия для портландцемента. она увеличивает прочностные характеристики, водонепроницаемость бетона, его водостойкость и стойкость к коррозии. Данное улучшение свойств связывают с реакцией между портландитом (гидрокси-дом кальция), образующимся при затворении портландцемента, и кислотным оксидом кремния с последующим формированием структуры Са - SiO3 - Н [6].

На первом этапе работы после анализа литературных данных было сделано предположение, что микрокремнезем должен будет схожим образом взаимодействовать и с магнезиальным цементом, так как магний является химическим аналогом кальция. Более того, в связи с тем, что взаимодействие между портландитом и микрокрем-

© Устинова Ю.В., Насонова А.Е., Никифорова Т.П., Козлов В.В., 2012

147

ВЕСТНИК

7/2012

неземом является, по существу, кислотно-основным взаимодеиствием, исключается необходимость применять добавки, понижающие рН исследуемого вяжущего (такоИ добавкоИ является бишофит или сульфат магния) [7].

Согласно [6] прочность искусственного камня на основе магнезиального цемента придают цепочечные структуры - Mg - О - Mg - О -, для образования которых необходимо понижать рН среды и для структурирования которых необходимо наличие октаэдрических структур оксохлорида магния. Было предположено, что образующиеся полисиликаты магния будут выполнять структурообразующую функцию.

На втором этапе работы для подтверждения указанного предположения была приготовлена сухая смесь, состоящая из шести частеИ (по массе) каустического магнезита марки ПМК-75 и одноИ части микрокремнезема. Данное соотношение было взято в соответствии с литературными данными о количестве микрокремнезема, используемого в качестве добавки к портландцементу [6]. Данная смесь подвергалась механоактивации, затворялась водоИ, из полученного теста формировались образцы размером 50*50*10 мм. Затем часть образцов высушивалась в нормальных темпера-турно-влажностных условиях, а часть была погружена в сосуд с водоИ.

Через 10 днеИ твердения была измерена прочность полученных образцов. Высушенные на воздухе образцы были подвергнуты водонасыщению. Была измерена прочность водонасыщенных образцов.

Для того чтобы проверить влияние рН среды на систему, в качестве контрольных образцов были взят состав, затворяемыИ 10%-м раствором серноИ кислоты.

Данные о прочности приведены в таблице.

Прочность образцов в сухом и водонасыщенном состоянии

Состав образца Прочность, МПа

Воздушное твердение Гидравлическое твердение

СухоИ ВодонасыщенныИ СухоИ ВодонасыщенныИ

5 частеИ каустического магнезита + 1 часть микрокремнезема, за-творенние водоИ 10 21 11,5 12

5 частеИ каустического магнезита + 1 часть микрокремнезема, за-творение Н2БО4 14,1 19,9 19,8 18

Очевидно, что повышение прочности образцов при контакте с водоИ можно объяснить образованием нерастворимоИ кремниевоИ кислоты, которая кольматирует поровое пространство искусственного магнезиального камня. при этом возможно и химическое взаимодеИствие между основным и кислотным оксидами. наличие данного взаимо-деИствия было доказано методом ИК-Фурье спектроскопии на инфракрасном Фурье-спектрометре №соМ iN10 в виде таблеток с КВг в интервале 4000.. .400 см-1. Полоса в раИоне 474.472 см-1 является характерноИ для валентных колебаниИ Si - О - Mg [8].

На третьем этапе работы, для того чтобы определить влияние добавки на структуру полученного искусственного камня, образцы были исследованы растровым сканирующим микроскопом Qvanta 200. Фото приведены на рис. 1—3.

Наиболее однородноИ выглядит структура, представленная на рис. 1. Очевидно, в процессе твердения образующиеся кристаллы подверглись деформации скручивания, что придало им характерную округлую форму. Обращают на себя внимание малые размеры — около 1 мкм и равномерное распределение пор по всему объему образца. возможно, это объясняется тем, что при взаимодеИствии с водоИ высушенного образца произошла кольматация порового пространства.

148

КБИ 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 7

Рис. 2. Электронная микрофотография образца, полученного затворением во-доИ сухоИ смести каустического магнезита и микрокремнезема (1:6), твердевшем в воде, а затем высушенному

рис. 1. Электронная микрофотография образца, полученного затворением водоИ сухоИ смеси каустического магнезита и микрокремнезема (1:6), твердевшему на воздухе и подвергнутому затем водонасыщению и высушиванию

Подобная пространственная структура объясняет высокую прочность образца. За счет большого количества мелких пор возможна его деформация без разрушения.

Для образца аналогичного состава, но подвергнутого гидравлическому твердению, характерно наличие полостеИ большего размера — около 10 мкм и малое количество визуально наблюдаемых мелких пор (см. рис. 2). Возможно, в условиях избытка влаги образовалось значительное количество аморфного гидроксида магния, кото-рыИ просто вымылся из образца, понизив его прочность.

Интересна структура образца, затворенного разбавленным раствором серноИ кислоты и подвергнутого гидравлическому твердению (см. рис. 3). Мы видим как округлые скрученные кристаллы, так и плоские слоистые структуры, которые растрескиваются при деформации.

Выводы. 1. С помощью электронноИ микроскопии изучены продукты твердения смеси каустического магнезита и микрокремнезема.

2. Показано, что с точки зрения сопротивления деформациям наиболее удачноИ является кристаллическая структура материала, образующегося в результате водо-насыщения высушенного на воздухе образца.

3. На основании полученных данных можно сказать, что для затворения каустического магнезита с добавкоИ микрокремнезема (6:1) можно использовать воду, без добавления кислот или солеИ магния. КонечныИ продукт твердения имеет те же прочностные показатели.

4. Возможность исключить из технологического процесса кислоты делает его более экологичным.

Рис. 3. Электронная микрофотография образца, полученного затворением 10%-м раствором серноИ кислоты сухоИ смеси каустического магнезита и микрокремнезема (1:6), твердевшему в воде и затем высушенному

ВЕСТНИК 7/2Q12

Библиографический список

1. Исследование взаимодействия каустического магнезита с добавкой хризотил-асбеста / Ю.В. Устинова, Т.П. Никифорова, В.В. Козлов, А.Е. Насонова // Вестник МГСУ. 2011. № 4. С. 169—173.

2. Устинова Ю.В., Насонова А.Е., Козлов В.В. Повышение водостойкости магнезиальных вяжущих // Вестник МГСУ 2010. № 4. Т. 3. С. 123—127.

3. Экологические аспекты применения и эксплуатации конструкций на основе стекломаг-ниевого листа / В.И. Сидоров, Е.И. Тупикин, Н.И. Малявский, Ю.В. Устинова, Е.Е. Платонова // Экология урбанизированных территорий. 2009. № 4. С. 65—68.

4. Зимич В.В. Эффективные магнезиальные материалы строительного назначения с пониженной гигроскопичностью : дисс. ... канд. техн. наук. 2010.

5. Нефедьев А.П. Регулирование процессов твердения магнезиального вяжущего // Сб. науч. тр. студентов России. Режим доступа: http // www.cs-alternativa.ru/text/1954. Дата обращения: 19.02.2012.

6. Пустовгар А.П. Эффективность добавок микрокремнезема при модификации бетона // СтройПРОФИль: Интернет-журнал. 2005. № 8. Режим доступа: http // stroyprofile.com/ archive/1980. Дата обращения: 19.02.2012.

7. Исследование взаимодействия каустического магнезита с добавкой микрокремнезема / Ю.В. Устинова, А.Е. Насонова, Т.П. Никифорова, В.В. Козлов // Вестник МГСУ. 2012. № 3. С. 100—104.

8. Шишелова Т.И., Созинова Т.В., Коновалова А.Н. Практикум по спектроскопии. Вода в минералах. М. : Академия естествознания, 2010.

Поступила в редакцию в мае 2012 г.

Об авторах: Устинова Юлия Валерьевна — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры общей химии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-32-92; UstinovaUV@mgsu.ru;

Насонова Алла Евгеньевна — аспирант кафедры общей химии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-32-92; printepm@mail.ru;

Никифорова Тамара Павловна — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры общей химии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-32-92;

Козлов Валерий Васильевич — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 183-32-29.

Для цитирования: Магнезиальное вяжущее с добавкой микрокремнезема / Ю.В. Устинова, А.Е. Насонова, Т.П. Никифорова, В.В. Козлов // Вестник МГСУ 2012. № 7. С. 147—151.

Yu.V. Ustinova, A.E. Nasonova, T.P. Nikiforova, V.V. Kozlov

MAGNESIUM BINDER WITH THE MICRO-SILICA ADDITIVE

The authors demonstrate that the use of the dry mix that constitutes caustic magnesite and a micro-silica additive makes it possible to obtain a binding material that contributes to formation of a durable and water-resistant artificial stone. The results of the research performed through the employment of methods of Fourier IR spectroscopy and electronic microscopy are provided. Interaction between magnesium oxide (MgO) as the basic oxide and micro-silica as the acidic oxide is proposed.

The compressive strength of the dry mix containing 16.7 % of micro-silica has been measured. In the event of hydraulic hardening, the compressive strength is equal to 11.5 MPa and 12.0 MPa in dry and water-saturated states, respectively. In the aftermath of air setting, the compressive strength is 10.0 MPa and 21.0 MPa in dry and water-saturated states, respectively.

Thereafter, the dry mix is gaged by the sulfuric acid solution (10 %) to identify the pH influence. In the event of hydraulic hardening, the compressive strength is 19.8 MPa and 14.1 MPa in dry and water-saturated states, respectively. In the aftermath of air setting, the compressive strength is 18.0 MPa and 19.9 MPa in dry and water-saturated states, respectively.

150

ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 7

Key words: magnesium binding materials, water resistance, strength, micro-silica, additive,

dry mixture, Fourier IR spectroscopy, air setting, hydraulic hardening, electronic microscopy.

References

1. Ustinova Yu.V., Nikiforova T.P., Kozlov V.V., Nasonova A.E. Issledovanie vzaimodeystviya kaus-ticheskogo magnezita s dobavkoy khrizotil-asbesta [Research of Interaction between Caustic Magnesite and the Chrysotile-asbestos Additive] Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 4, pp. 169—173.

2. Ustinova Yu.V., Nasonova A.E., Kozlov V.V. Povyshenie vodostoykosti magnezial'nykh vyazhush-chikh [Improvement of Water Resistance of Magnesium Binders]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 4, vol. 3, pp. 123—127.

3. Sidorov V.I., Tupikin E.I., Malyavskiy N.I., Ustinova Yu.V., Platonova E.E. Ekologicheskie aspe-kty primeneniya i ekspluatatsii konstruktsiy na osnove steklomagnievogo lista [Environmental Aspects of Application and Operation of Structures Based on the Glass-and-Magnesium Sheet]. Ekologiya urban-izirovannykh territoriy [Ecology of Urbanized Lands]. 2009, no. 4, pp. 65—68.

4. Zimich V.V. Effektivnye magnezial'nye materialy stroitel'nogo naznacheniya s ponizhennoy gigroskopichnost'yu [Effective Low Water Absorption Magnesium Building Materials]. 2010.

5. Nefed'ev A.P. Regulirovanie protsessov tverdeniya magnezial'nogo vyazhushchego [Regulation of Processes of Hardening of Magnesium Binding Materials]. Available at: http // www.cs-alternativa.ru/ text/1954. Date of access: 19.02.2012.

6. Pustovgar A.P. Effektivnost' dobavok mikrokremnezema pri modifikatsii betona [Effectiveness of Microsilica Additives Used to Modify the Concrete] StroyPROFIl' [Building Profile] Internet Journal. 2005, no. 8. Available at: http // stroyprofile.com/archive/1980. Date of access: 19.02.2012.

7. Ustinova Yu.V., Nasonova A.E., Kozlov V.V. Issledovanie vzaimodeystviya kausticheskogo magnezita s dobavkoy mikrokremnezema [Research of Interaction between Caustic Magnesite and a Microsilica Additive]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 3, pp. 100—104.

8. Shishelova T.I., Sozinova T.V., Konovalova A.N. Praktikum po spektroskopii. Voda v mineral-akh [Workshop on Spectroscopy. Water in Minerals]. Moscow, Akademiya Estestvoznaniya [Academy of Natural Sciences] Publ., 2010.

About the authors: Ustinova Yuliya Valer'evna — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of General Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; UstinovaUV@mgsu.ru; +7 (499) 183-32-92;

Nasonova Alla Evgenievna — postgraduate student, Department of General Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; printepm@mail.ru; 7 (499) 183-32-92;

Nikiforova Tamara Pavlovna — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of General Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 183-32-92;

Kozlov Valeriy Vasil'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Building Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 183-32-29.

For citation: Ustinova Yu.V., Nasonova A.E., Nikiforova T.P., Kozlov V.V. Magnezial'noe vyazhush-chee s dobavkoy mikrokremnezema [Magnesium Binder with the Micro-silica Additive]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 147—151.