3. Магнезіальні зв’язні речовини

До магнезіальних зв’язних речовин відносять каустичний магнезит і каустичний доломіт, які є продуктами випалу до повного розкладу MgCO₃ магнезитових чи доломітових порід.

Магнезит MgCO₃ теоретично містить 47,82 % MgO і 52,18 % СO₂. В залежності від умов утворення магнезити бувають дуже дрібнокристалічними (так звані “аморфні” магнезити) або, навпаки, грубокристалічними. Обидві різновидності мають твердість за шкалою Мооса 3,5-4,5 і густину 2,9-3,1 г/см³. Як домішки порода містить кварцовий пісок, глину, вуглекислий кальцій, сполуки заліза, цинку.

Доломіт СаCO₃*MgCO₃ або СаMg(CO₃)₂ теоретично містить 30,41 % СаО, 21,87 % MgO і 47,72 % CO₂. В природі зустрічається у вигляді зернисто-кристалічних агрегатів і дрібнокристалічних (“аморфних”) мас з твердістю 3,5-4,0 і густиною 2,80-2,95 г/см³. Найбільш поширеною домішкою є глини.

В даний час як сировину для отримання MgO використовують морську воду та відпадки виробництва солей калію.

Розклад магнезиту починається при температурі близько 400 ^оС; швидкий розклад починається з 640 ^оС. Швидкість розкладу природного магнезиту залежить не тільки від температури, але і від наявності домішок, будови і щільності речовини. Теоретично з чистого вуглекислого магнію вихід MgO повинен становити 47,6%, на практиці ж за рахунок домішок в сировині та виробничих втрат, особливо через виніс пилу, він складає 25-28%.

В залежності від температури при випалі магнезиту отримують два види продуктів: при 600-1000 ^оС - каустичний магнезит і при 1500-1700 ^оС - спечений периклаз. Каустичний магнезит при звичайній температурі взаємодіє з водою (гідратується). При замішуванні каустичного магнезиту водними розчинами солей MgCl₂, CaCl₂, ZnCl₂, MgSO₄ та ін. він твердіє, утворюючи міцний камінь.

З підвищенням температури випалу здатність периклазу до гідратації зменшується і при нагріванні до 1600-1650 ^оС отримують “намертво” випалений периклаз, який при кімнатній температурі не взаємодіє з водою. Проте цей периклаз при температурі 60-80 ^оС, як і каустичний, гідратується і при замішуванні його розчинами вказаних солей тужавіє. Різна здатність до гідратації периклазу випаленого при різних температурах пояснюється різною величиною кристалів і різною ступінню їх дефектності.

Виробництво магнезіальних зв’язних матеріалів включає наступні стадії:

- добування сировини в кар’єрі;

- подрібнення;

- випал;

- розмелювання.

Сировину випалюють в обертових або шахтних печах. Процес розкладу магнезиту є ендотермічним; на розклад 1 г-моль MgCO₃ необхідно затратити 121 кДж чи 1440 кДж на 1 кг MgCO₃. Температура випалу в шахтних печах складає 750-800 ^оС, а в обертових – близько 1000 ^оС. При цьому густина каустичного магнезиту знаходиться в межах 3,1-3,4 г/см³ (густина невипаленого магнезиту – 2,9-3,1, в середньому 3 г/см³). Густина випаленого каустичного магнезиту є одним з показників його якості. При густині меншій за 3,1 г/см³ матеріал неповністю розклався (недопал), а при густині понад 3,4 г/см³ – матеріал перепалено, тобто його зв’язні властивості погіршуються.

При температурах вищих за 1000 ^оС магнезит починає спікатись і при 1400-1450 ^оС його густина досягає 3,55-3,65 г/см³. При цих температурах матеріал ще зберігає деяку здатність до гідратації. З подальшим нагрівом до 1700-1800 ^оС густина периклазу не змінюється, проте при кімнатній температурі він уже не взаємодіє з водою. Тому густина периклазу не може служити характеристикою його здатності реагувати з водою. Намертво випалений периклаз використовують для виготовлення вогнетривких виробів. Проте необхідно пам’ятати, що з підвищенням температури середовища вище 60 ^оС, або з введенням додатків – збуджувачів тверднення, намертво випалений периклаз відновлює здатність гідратуватись. У зв’язку з цим тонко подрібнений спечений периклаз з додатком наповнювачів (хроміт, магнезитохроміт тощо) можна використовувати для виготовлення високовогнетривких бетонів здатних витримувати температуру до 1700 ^оС.

Каустичний доломіт отримують в результаті “напіввипалу” доломіту при температурі нижчій за температуру дисоціації СаCO₃ – 650-750 ^оС. Такий продукт складається з гідратаційно активного MgО та інертної складової СаCO₃. Реакція протікає згідно рівняння:

СаCO₃*MgCO₃ = СаCO₃ + MgO + СO₂

Температура випалу залежить від якості сировини і теплового агрегату. Збільшення температури понад 800 ^оС призводить до інтенсивного розкладу СаCO₃. Підвищений вміст в доломітовому вапні СаО, який здатний швидко гаситись, погіршує властивості кінцевого продукту надаючи йому властивостей доломітизованого вапна. В складі каустичного доломіту допускається вміст не більше 2,5 % СаО.

В результаті випалу доломіту при температурі 1500-1600 ^оС отримують спечений металургійний доломіт, який, аналогічно до спеченого магнезиту, використовують для виготовлення вогнетривів.

При замішуванні з водою каустичного магнезиту чи доломіту MgO починає повільно гідратуватись з утворенням погано розчинного у воді Mg(OН)₂. При тривалому перебуванні на повітрі він набуває незначної кінцевої міцності, що пояснюється відсутністю в Mg(OН)₂ зв’язних властивостей і утворенням у тверднучій системі його аморфного осаду.

Під час гідратації гідрооксид магнію спочатку випадає в колоїдному вигляді і тому надає масі деякої пластичності, в подальшому він дуже повільно (оскільки має дуже малу розчинність у воді) кристалізується у вигляді мінералу бруситу.

Для прискорення процесу гідратації МgО і тверднення магнезіальне зв’язне замішують розчинами хлористого чи сірчанокислого магнію. При гідратації без цих солей поверхня зерен МgО покривається аморфним осадом малорозчинного Мg(ОН)₂. При введенні в систему солей вони взаємодіють з Мg(ОН)₂, утворюючи комплексну сполуку:

5МgО + МgСl₂ + 12Н₂О  МgСl₂*5Мg(ОН)₂*7Н₂О,

завдяки чому з розчину виводиться Мg(ОН)₂ і наступні порції МgО розчиняються в воді. Комплексна сполука МgСl₂*5Мg(ОН)₂*7Н₂О поступово переходить в сполуку МgСl₂*3Мg(ОН)₂*7Н₂О, яка кристалізується у вигляді голок і волокон, створюючи міцний каркас. Мg(ОН)₂, що виділяється при цьому кристалізується в брусит, не сповільнюючи швидкість гідратації МgО. Кристали і гель Мg(ОН)₂ ущільнюють кристалічну ґратку, утворену комплексною сполукою МgСl₂*5Мg(ОН)₂*7Н₂О, надаючи затверділій системі підвищеної міцності. Аналогічно відповідні комплексні солі гідросульфатів утворюються при введенні в масу МgSО₄.

В залежності від вмісту MgO каустичний магнезит ділять на чотири марки: ПМК-88, ПМК-87, ПМК-83 і ПМК-75. Початок тужавіння каустичного магнезиту та доломіту в тісті нормальної густоти, приготованому на розчині MgCl₂, не раніше 20 хв, а кінець – не пізніше, ніж через 6 год від моменту замішування розчином.

Марка каустичного магнезиту та доломіту визначається границею міцності на стиск зразків у вигляді куба розміром 7,07х7,07х7,07 см, виготовлених з розчину зв’язного і піску (жорсткої консистенції) у співвідношенні 1:3, випробуваних після 28 діб тверднення на повітрі. Каустичний магнезит випускають марок 400, 500 і 600, а каустичний доломіт – марок 100, 150, 200 і 300.

Магнезіальні зв’язні речовини є повітряними зв’язними. Вироби на їх основі можна використовувати в приміщеннях при відносній вологості не вище 70 %.

Каустичний магнезит характеризується підвищеною гігроскопічністю. На повітрі MgO взаємодіє з вологою і вуглекислим газом, утворюючи на поверхні зерен інертні плівки Mg(OН)₂ і MgСO₃, що різко зменшує його активність. У зв’язку з цим готовий продукт необхідно зберігати в закритих приміщеннях (складах) у щільній герметичній тарі (наприклад, в багатошарових паперових мішках).

Магнезіальні зв’язні речовини мають добру адгезію (зчеплення) як до мінеральних (неорганічних), так і до органічних заповнювачів (дерев’яні стружки, опилки). Останнє дає можливість одержувати матеріали з добрими теплоізоляційними властивостями: фіброліт, ксилоліт, піномагнезит.

Ксилоліт виготовляють з магнезіального зв’язного і опилок хвойних порід деревини замішаних розчинами солей. Ксилоліт добре працює на згин, розтяг, стирання, удар; вироби з ксилоліту мають понижену теплопровідність. Матеріал використовують для виготовлення безшовних (наливних) підлог в громадських приміщеннях, а також для виготовлення сходів, підвіконників і т.д. Введення в ксилоліт як заповнювачів тальку, азбесту та ін. підвищує його щільність і міцність; додаток трепелу зменшує його теплопровідність, а кварцового піску зменшує схильність до стирання і дещо збільшує щільність.

Ксилолітові плитки випускають двох видів:

- личкувальні на основі дерев’яних опилок (подібні до дерева);

- з мінеральними заповнювачами, які нагадують природний камінь.

Фіброліт виготовляють з магнезіального зв’язного та волокнистого органічного матеріалу (костри, кенафа, деревної шерсті та ін.) замішаних розчинами солей і спресованих у вигляді плит. Фіброліт не горить, не тліє, легко піддається обробці ріжучим інструментом. Термоізоляційний фіброліт використовують для утеплення стель, стін, підлог та інших поверхонь з подальшим їх тинькуванням.

Піномагнезит – це теплоізоляційний матеріал, який отримують з каустичного магнезиту, солей магнію а також піноутворюючих додатків.